«Пинигин Василий Владимирович ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ОТ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ТЭС Специальность 05.14.14 – Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты Диссертация на ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЗАБАЙКАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Пинигин Василий Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ

ОТ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ТЭС

Специальность 05.14.14 – Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Батухтин Андрей Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент Чита – Оглавление Введение…..…………………………………………………………………….

1 ХАРАКТЕРИСТИКА ВРЕДНЫХ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЫБРОСОВ ТЭС,

СПОСОБЫ ИХ ОЦЕНКИ И НОРМИРОВАНИЯ

1.1 Характеристика вредных газообразных выбросов, образующихся при работе котельного оборудования…………...……………………………. 1.2 Способы снижения вредных выбросов на ТЭС, их влияние на надежность и экономичность работы котельного оборудования……...….. 1.2.1 Методы очистки дымовых газов ТЭС от оксидов азота………..……. 1.2.2 Методы очистки дымовых газов ТЭС от оксидов серы....………..…. 1.2.3 Современные методы очистки дымовых газов ТЭС….….…………... 1.3 Технико-экономические методы оценки способов снижения выбросов вредных веществ в атмосферу……………………………………………….. 1.3.1 Количественный метод нормирования примесей вредных веществ………………………...……………………………… 1.3.2 Экономический метод оценки целесообразности способов снижения вредных выбросов………..…………….…………………... 1.4 Термодинамические методы оценки способов снижения вредных выбросов…………..………………………………………………... 1.4.1 Принципы эксергетического анализа……………..…………………... 1.4.2 Методика расчета отклонений теплотехнических параметров котлоагрегата от их номинальных значений………..……...………… 1.5 Выводы по главе……………………………………...……………………….

2 РАЗРАБОТКА СПОСОБА СНИЖЕНИЯ ВЕДНЫХ ВЫБРОСОВ

ОТ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ТЭС………………………………………. 2.1 Физико-химические свойства природных цеолитов……………………….. 2.2 Способы использования природных цеолитов, их достоинства и недостатки…………………………………………………………………... 2.3 Способ снижения вредных выбросов, основанный на просыпке природных цеолитов в конвективную шахту котла………………………... 2.4 Экспериментальное исследование механизма поглощения вредных выбросов природными цеолитами…………………………………………... 2.4.1 Лабораторный эксперимент. Программа проведения эксперимента.. 2.4.2 Опытно-промышленные испытания…………………………………... 2.5 Выводы по главе……………………………………………………………....

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ

СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ОТ КОТЕЛЬНЫХ

УСТАНОВОК ТЭС С ПОЗИЦИЙ НАДЕЖНОСТИ И

ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ…………...………………… 3.1 Методика расчета отклонения теплотехнических параметров котлоагрегата от проектных значений, вызываемого применением технологий газоочистки……………………………..……………………….. 3.2 Законы распределения отклонения параметров работы котлоагрегата…... 3.3 Методика технико-экономической оценки способов снижения вредных выбросов от котельных установок ТЭС……..……………………...………. 3.4 Выводы по главе……...……………………………………………………….

4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ

ОТ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ТЭС…

4.1 Теоретические основы эксергетического анализа эффективности способов снижения вредных выбросов от котельных установок ТЭС….... 4.1.1 Определение эксергии продуктов сгорания твердого топлива с помощью диаграммы……………..……...………………………...... 4.1.2 Анализ факторов, определяющих величину составляющих эксергии продуктов сгорания твердого топлива………..…………... 4.2 Обоснование способов снижения вредных выбросов от котельных установок ТЭС………...……...……………………………………………... 4.2.1 Эксергетическая оценка способов снижения вредных выбросов, основанных на использовании природных цеолитов………..…...… 4.2.2 Экономическая оценка способов снижения вредных выбросов, основанных на использовании природных цеолитов……….....…… 4.2.3 Оптимизация способов снижения вредных выбросов, основанных на использовании природных цеолитов….....………… 4.3 Выводы по главе..………………………………………………………….... Заключение…….……..……....…………………………………………….... Список литературы……….………………………………..………………... Приложение А…………..……….…………………………………………... Приложение Б……………………………………………………………..… Приложение В………………………………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем энергетической отрасли промышленности является наличие больших объемов газовых выбросов, содержащих вредные газовые компоненты. Характерными для отрасли тепловой энергетики загрязняющими веществами являются диоксид серы, на долю которого приходится до 39 % общего объема выбросов, твердые вещества (30 %), оксиды азота (24 %) и другие.

В настоящее время существует значительное количество методов и технологий, позволяющих производить очистку дымовых газов ТЭС от вредных составляющих. Эффективность этих мероприятий достаточно высока, однако существенным их недостатком является высокая стоимость оборудования и эксплуатации, а также сложность технологических процессов.

К тому же использование любого способа снижения вредных выбросов на действующем теплогенерирующем оборудовании ТЭС непосредственно связано с проявлением негативного воздействия подобных технологий на уровень надежности этого оборудования.

Практическое применение на ТЭС какого-либо способа сопряжено с серьезными трудностями, связанными с отсутствием методик, позволяющих производить технико-экономическое обоснование расхода и вида применяемых реагентов, а также оценку с позиций энергетической эффективности и технологической безопасности с точки зрения надежности.

Таким образом, в условиях постоянно растущего энергопотребления необходимо создание эффективных и в то же время малозатратных технологий и технических средств, которые позволили бы снизить уровень негативного воздействия ТЭС на окружающую среду, а также разработка универсальной методики, позволяющей производить их оценку, сравнение и обоснование. Поэтому работа является актуальной.

Работа выполнена автором в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009- годы.

Степень научной разработанности темы. Вопросам снижения вредных выбросов от котельных установок ТЭС посвящены работы Котлер В.Р., Белика С.Е., Тугова А.Н., Рослякова П.В., Сигал И.Я., Шмиголь И.Н., Ионкина И.Л. и др.

Зарубежных: A. Rigby, S. Khan, J. Javris, N. Soud и др. Разработкой и применением теории эксергетического анализа для оценки эффективности различных термодинамических процессов занимались Г. Баер, Я. Шаргут, Р. Петела, Янтовский Е.И., Бродянский В.М., Кукис В.С., Сидельковский Л.Н., Дыбок В.В., Степанов В.С., Агапов Д.С. и другие. Использование различных сорбентов для очистки уходящих газов ТЭС рассматривали Тугов А.Н., Манелис Г.Б., Епихин А.Н., Крылов И.О., Балабаева Е.М., Блазнин Ю.П., Кубасов А.А., Строков А.А. и другие.

Объектом исследования в настоящей работе является теплогенерирующее оборудование ТЭС, рассматриваемое как основной источник отрицательного воздействия на окружающую среду в энергетической отрасли промышленности.

Предметом исследования является совершенствование механизма снижения вредных выбросов, образующихся при работе энергетических котлов ТЭС, а также оценка их влияния на уровень теплотехнической надежности и экономичности данного оборудования.

Целью диссертационной работы была разработка универсальных методик, позволяющих производить оценку и совершенствование существующих способов снижения вредных выбросов, используемых в энергетической отрасли промышленности, с позиций технико-экономической целесообразности и экологической эффективности.

Поставлены и решены следующие основные задачи:

- разработать комплексную методику для оценки влияния экологических мероприятий на надежность работы энергетических котлов ТЭС в целом и их отдельных элементов в частности;

- произвести анализ факторов, в наибольшей степени влияющих на изменение теплотехнических параметров работы энергетических котлов ТЭС в случае отклонения состава топлива от проектных значений;

- разработать программный комплекс, позволяющий моделировать работу котельной установки ТЭС в случае изменения качественных характеристик топлива;

- разработать комплексную методику для оценки и оптимизации способов снижения вредных выбросов ТЭС, основанную на определении расхода адсорбентов, обеспечивающего эффективную очистку продуктов сгорания с учетом текущих технико-экономических условий;

- разработать методику эксергетического анализа для прогнозирования вредных выбросов от котельных установок ТЭС и оценки эффективности способов их снижения, учитывающую энергетическую ценность продуктов сгорания;

- сформировать справочную базу, содержащую удельные значения эксергии для твердых топлив большинства известных месторождений РФ и стран СНГ, в зависимости от условий сжигания;

- разработать способ совместного снижения выбросов оксидов серы (SO2) и азота (NOX) от действующего теплогенерирующего оборудования ТЭС;

- представить технико-экономическое обоснование предлагаемого способа снижения вредных выбросов с использованием разработанных методик техникоэкономической оптимизации и эксергетического анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика эксергетического анализа для прогнозирования вредных выбросов от котельных установок ТЭС и оценки эффективности способов их снижения, учитывающая энергетическую ценность продуктов сгорания;

2. Разработана комплексная методика для оценки и оптимизации способов снижения вредных выбросов ТЭС, основанная на определении расхода адсорбентов, обеспечивающего эффективную очистку продуктов сгорания с учетом текущих технико-экономических условий, а также параметров надежности;

3. На основе полученных теплофизических и адсорбционных свойств природных цеолитов разработан способ совместного снижения вредных выбросов от котлов ТЭС;

4. Сформирована справочная база, содержащая удельные значения эксергии для твердых топлив большинства известных месторождений РФ и стран СНГ, в зависимости от условий сжигания;

Практическая ценность работы определяется тем, что:

- создана экспериментальная установка, моделирующая работу топки котельной установки ТЭС с факельным сжиганием топлива, которая позволяет производить оценку сорбционных свойств различных видов сухих адсорбентов;

- разработан способ совместного снижения выбросов SO2 и NOX от действующего теплогенерирующего оборудования ТЭС, позволяющий повысить экономичность и надежность работы котельных установок;

- разработано устройство для сухой очистки дымовых газов, позволяющее производить дозировку адсорбента в дымовые газы после золоуловителя, не нарушая тем самым конструктивную геометрию котельной установки;

- разработан программный комплекс, позволяющий моделировать работу котельной установки с факельным способом сжигания топлива в случае изменения качественных характеристик топлива (свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2011610749);

- сформирована справочная база, содержащая удельные значения эксергии для твердых топлив большинства известных месторождений РФ и стран СНГ, в зависимости от условий сжигания и позволяющая упростить эксергетическую оценку эффективности котельных установок ТЭС.

Реализация работы. На основании результатов исследований, выполненных в рамках диссертационной работы, разработано учебное пособие «Особенности теплового и эксергетического расчета котлоагрегатов ТЭС» (решение о присвоении грифа УМО по классическому университетскому и техническому образованию РАЕ № 236 от 03.06.2013), которое включено в лекционный курс подготовки студентов ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет», обучающихся по специальности «Тепловые электрические станции» и направлению подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника», по дисциплинам «Котельные установки и парогенераторы», «Природоохранные технологии на ТЭС», а также используется ими при выполнении курсового проекта по дисциплине «Котельные установки и парогенераторы».

Результаты исследований использовались при определении направления по приведению объема вредных выбросов филиала «Харанорская ГРЭС» ОАО «ИНТЕР РАО – Электрогенерация» в соответствие европейским стандартам, а также в рамках региональных и международных программ развития экономики Забайкальского края.

Методология и методы исследования. Обобщение литературных источников; анализ и оценка негативного воздействия на окружающую среду вредных выбросов ТЭС; лабораторные экспериментальные исследования сорбционных свойств природных цеолитов Забайкальских месторождений; обработка результатов исследований; оценка и обоснование способов снижения вредных выбросов ТЭС, с учетом текущих технико-экономических условий.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается использованием нормативных методов расчета котельного агрегата, достижений прикладных научных дисциплин, сопряженных с предметом исследования, а также согласованием результатов расчета с опытными данными других авторов.

Автор защищает: результаты теоретических и экспериментальных исследований; разработанный способ совместного снижения вредных выбросов от котлов ТЭС; комплексную методику для оценки и оптимизации способов снижения вредных выбросов ТЭС, основанную на определении расхода адсорбентов, обеспечивающего эффективную очистку продуктов сгорания с учетом текущих технико-экономических условий, а также параметров надежности; методику эксергетического анализа для прогнозирования вредных выбросов от котельных установок ТЭС и оценки эффективности способов их снижения, учитывающую энергетическую ценность продуктов сгорания; справочную базу, содержащую удельные значения эксергии для твердых топлив большинства известных месторождений РФ и стран СНГ, в зависимости от условий сжигания.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач исследования, разработке основных положений научной новизны и практической значимости, подготовке и непосредственном проведении лабораторных экспериментов по определению теплофизических свойств природных цеолитов, их динамической емкости, а также изучению механизма сорбции природными цеолитами вредных выбросов, содержащихся в дымовых газах котельного оборудования ТЭС. Автором разработана комплексная методика для оценки и оптимизации способов снижения вредных выбросов ТЭС, разработана методика эксергетического анализа для прогнозирования вредных выбросов от котельных установок ТЭС и оценки эффективности способов их снижения, сформирована справочная база, содержащая удельные значения эксергии для твердых топлив большинства известных месторождений РФ и стран СНГ, разработан способ совместного снижения выбросов SO2 и NOX от действующего теплогенерирующего оборудования ТЭС.

Все исследования по теме диссертации выполнены лично автором под руководством научного руководителя.

Апробация работы. Основные методологические положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: XIV Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах»

(СПбГПУ, Санкт-Петербург 2010); Международной научно-практической конференции «Кулагинские чтения» (ЗабГУ, Чита 2010 – 2012); XVI Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (ТПУ, Томск 2010 – 2012); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (УФУ, Екатеринбург 2010); Международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь Забайкалья» (Чита, 2011, 2012); V Международной научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (ЗабГУ, Чита 2011); XVIII Международной научнопрактической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (ТПУ, Томск 2012); Всероссийской молодежной конференции «Пути совершенствования работы теплоэнергетических устройств» (ДВФУ, Владивосток 2012); Международной молодежной конференции «Энергетическое обследование как первый этап реализации концепции энергосбережения» (ТПУ, Томск 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, в т.ч.

5 – в изданиях из перечня ВАК, получено 3 патента и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 131 источник, и трех приложений.

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ВРЕДНЫХ ГАЗООБРАЗНЫХ

ВЫБРОСОВ ТЭС, СПОСОБЫ ИХ ОЦЕНКИ И НОРМИРОВАНИЯ

1.1 ХАРАКТЕРИСТИКА ВРЕДНЫХ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЫБРОСОВ,

ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ РАБОТЕ КОТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

В условиях современного развития человечества, характеризуемых высоким и постоянно растущим уровнем производства энергии, наблюдается острая проблема ухудшения экологического состояния окружающей среды.

Выбросы вредных веществ в атмосферу от стационарных источников, расположенных на территории РФ, составляют около 60 % от общего объема выбросов бывшего СССР и в 1995 годy были равны 24,8 млн. т вредных веществ, в том числе, (млн. т) [1]: диоксиды серы (около 9,2), оксиды азота (3,2), оксиды углерода (7,6), твердые вещества (6,4).

При этом суммарный объем выбросов вредных веществ в атмосферу предприятиями энергетической, нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, газовой и угольной отраслей (по состоянию на 2004 г.) составил 7558,5 тыс. т., из них 58,6 % - выбросы предприятий тепло- и электроэнергетики [2].

Из общего количества основных загрязнителей атмосферного воздуха почти половина (49,4 %) приходится на ТЭК.

Основная часть промышленных выбросов от стационарных источников приходится на европейскую территорию РФ – 65 %.

Выбросы загрязняющих веществ от автотранспорта в городах России составляют около 21 млн. т, в том числе окиси углерода около 16,8 млн. т, углеводороды 3, млн. т., оксиды азота 1,0 млн. т.

Характерными для энергетической отрасли загрязняющими веществами являются диоксид углерода CO2, диоксид серы SO2, оксиды азота NOX, летучая зола (неорганическая пыль), пятиокись ванадия, полициклические ароматические углеводороды (бенз(а)пирен).

Диоксид серы является характерным для энергетической отрасли производства загрязняющим веществом. На его долю приходится до 39 % общего объема выбросов [3]. Как правило, диоксиды серы представляют собой сернистый ангидрид или диоксид серы SO2, однако для конечной стадии горения характерно образование из SO2 (в условиях избытка кислорода воздуха или контакта с озоном) SO3, который даже в минимальных количествах (2-5 % от объема дымовых газов) склонен вызывать интенсивную низкотемпературную коррозию выходных поверхностей нагрева котельной установки.

Попавшие в атмосферу оксиды серы, как правило, образуют кислотные растворы H2SO4 и H2SO3, после взаимодействия с парами влаги, содержащимися в атмосферном воздухе (т.н. «кислотные дожди»).

Кислотные дожди способны вызывать деградацию почв, лесов и особенно опасны для озерных экосистем [4…6].

В отношении механизма образования диоксида серы решающее значение имеют физико-химические свойства твердого топлива, а именно его зольность и калорийность. Ухудшение качества топлива создает условия, при которых для обеспечения работы котельного оборудования в базовом диапазоне нагрузок требуется использовать больше топлива. Ко всему этому добавляется потребность в больших расходах топлива, используемого для поддержания процесса горения (природный газ или мазут), совместное сжигание которого вместе с углем значительно ухудшает эколого-экономические показатели котлов: на 10-15 % повышается механический недожог топлива и на 2-5 % снижается КПД-брутто [7]. При этом возрастает скорость высокотемпературной коррозии экранных поверхностей, что также вызывает снижение надежности эксплуатации.

В настоящее время в мире существуют способы снижения выбросов оксидов серы, которые можно классифицировать по отношению к началу процесса горения топлива: перед сжиганием топлива (механическое улучшение, флотация, очистка топлива и другие), во время сжигания (различные модификации сжигания топлива) и после сжигания. В рамках данной диссертационной работы наибольшее внимание будет уделено способам снижения выбросов оксидов серы на последней и предпоследней стадиях сжигания органического топлива.

На долю оксидов азота NOX приходится около 24 % общего объема выбросов с уходящими газами ТЭС. Они образуются при сжигании любых топлив – угля, мазута и газа. Обычно, в практике защиты атмосферного воздуха под термином «оксиды азота NOX» понимается сумма диоксида азота NO2 и монооксида NO.

Российским законодательством для традиционных тепловых электростанций, работающих на твердом топливе, были установлены следующие нормы выброса оксидов азота в соответствии с ГОСТ Р 50831-95 «Установки котельные.

Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования»: предельная среднесуточная массовая концентрация оксидов азота при нормальных условиях, рассчитанная при коэффициенте избытка воздуха 1,4, для бурого и каменного углей составляет 300 и 470/640 мг/м3 (сжигание с твердым/жидким шлакоудалением) соответственно [8…12].

Как известно, механизм образования оксидов азота при сжигании органического топлива имеет двойственную природу: образование за счет окисления азота воздуха, поступающего в топку при горении («быстрые» оксиды), и за счет окисления азотсодержащих соединений, входящих в состав топлива (топливные оксиды).

Образование «быстрых» оксидов азота зависит, главным образом, от коэффициента избытка воздуха в ядре факела, температуры уходящих газов и скорости их охлаждения. Так с ростом температуры продуктов сгорания от 1500 до 2100 °С образование «воздушных» оксидов азота возрастает в несколько раз. Однако в диапазоне температур, не превышающих 1000 °С, образования NOX практически не происходит.

Если проводить сравнение количества термических и топливных оксидов азота в единице объема продуктов сгорания, то здесь основную долю составляют топливные оксиды. Топливные оксиды азота начинают образовываться уже при температурах 630-680 °С. Механизм их эмиссии многоступенчат и ещ до конца неясен. Тем не менее, экспериментальными исследованиями были установлены некоторые закономерности [8…12]:

- в отличие от термических оксидов азота образование NOX из азота топлива относительно слабо зависит от температуры и сильно зависит от содержания кислорода;

- степень преобразования азотсодержащих компонентов в оксиды азота зависит от содержания связанного азота в топливе;

- рециркуляция дымовых газов малоэффективна для подавления топливных оксидов азота NOX;

- количество и химический состав золы не влияют на конверсию азота топлива в NOX.

Главным токсичным компонентом, образующимся в топочных устройствах, является монооксид азота NO – малоактивный в химическом отношении бесцветный газ, лишенный запаха и плохо растворимый в воде [4…6].

Особенностью монооксида NO является его способность доокисляться до диоксида при контакте с атомарным кислородом или атмосферным озоном.

Реакция доокисления монооксида азота до диоксида при контакте с атмосферным озоном протекает в 100000 раз быстрее реакции при контакте с атомарным кислородом [4, 5].

Оксиды углерода наряду с водяными парами являются основными газообразными не утилизируемыми отходами при производстве теплоты. Работа котельных установок даже с минимальными содержаниями CO и CO2 (0,001 % по объему и менее) косвенным образом указывает на возможность наличия в продуктах сгорания других, более опасных загрязнителей (формальдегида HCHO, полициклических углеводородов).

Монооксид углерода CO является основным продуктом неполного сгорания органического топлива. Монооксид углерода СО образуется в условиях недостатка кислорода в зоне горения и характеризует химический недожог топлива.

Механизм образования оксидов углерода находится в тесной взаимосвязи с коэффициентом избытка воздуха в топочном устройстве. Также содержание СО в продуктах сгорания зависит от таких кинетических факторов, как концентрация водяных паров и температура в зоне горения – с ростом температуры в зоне горения и снижением концентрации водяных паров значение концентрации СО увеличивается.

Зольный остаток представляет собой минеральную негорючую часть топлива.

Исследования [13] показали, что минеральная часть углей в процессе горения претерпевает значительные изменения. В результате воздействия высоких температур в зоне горения исходный минеральный состав угля изменяется с образованием таких соединений как кварц (SiO2), муллит (Al6Si2O13), лейцит (KAlSi2O6), оксиды и силикаты кальция и другие.

Концентрация твердых частиц в уходящих газах перед золоуловителем зависит в основном от содержания золы в топливе и способа сжигания. Так, при факельном сжигании сортированного угля унос золы с продуктами сгорания составляет 60-80 % для топок с жидким шлакоудалением и 80-95 % для топок с твердым шлакоудалением [4…6]. Поэтому в обязательном порядке должна производиться очистка дымовых газов от золы за котлом.

На электростанциях большой мощности чаще всего используются многопольные электрофильтры, эффективность которых на сегодняшний момент составляет около 99,5-99,9 % [4…6] в комплексе с высокими дымовыми трубами.

Мокрые и сухие золоуловители нашли более широкое применение для очистки дымовых газов на электростанциях малой и средней мощности с промышленными отопительными котлами.

Наиболее эффективными золоуловителями среди инерционных являются мокрые циклоны – скрубберы (степень очистки газов около 90-92 % [4, 5]), конструктивной особенностью которых является применение воды для орошения стенок корпуса или решеток во входном патрубке. Обычно используются скрубберы с трубой Вентури [14, 15]. Достоинством такой конструкции является ее простота, малые габариты и достаточная эффективность в очистке запыленных газов. Однако применение мокрых золоуловителей ограничивается серосодержанием сжигаемого топлива и содержанием оксида кальция в золе.

Эффективность улавливания золы золоулавливающим устройством определяется конструкцией этого устройства, свойствами уноса и режимом работы котельной установки. В экономическом плане важной является аэродинамическая характеристика золоуловителя (фильтра), поскольку от нее будет зависеть потребление электроэнергии дымососом или дутьевым вентилятором для преодоления сопротивления этого устройства при транзите продуктов сгорания через него.

1.2 СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ НА ТЭС, ИХ ВЛИЯНИЕ

НА НАДЕЖНОСТЬ И ЭКОНОМИЧНОСТЬ РАБОТЫ КОТЕЛЬНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

1.2.1 Методы очистки дымовых газов ТЭС от оксидов азота Разработке и исследованию методов очистки уходящих газов ТЭС посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Котлер В.Р., Белика С.Е., Тугова А.Н., Рослякова П.В., Сигал И.Я., Внукова А.К., Шмиголь И.Н., Ионкина И.Л., A. Rigby, S. Khan, J. Javris, N. Soud и других.

Образование вредных выбросов необходимо воспринимать как комплекс факторов, от которых зависит объем этих выбросов. Так образование NO следует рассматривать как результат совокупности нескольких механизмов, обусловленных протеканием не только реакции с образованием атомарного кислорода, но и реакций с участием промежуточных и конечных продуктов, в том числе H, CN, HCN, NH, NH2, NH3, CO, CO2, H2. Также, наряду с образованием NO возможны реакции его восстановления [16].

В инженерном плане процесс горения должен быть организован таким образом, чтобы превалирующее значение имели реакции, которые обеспечивали бы подпитку зоны горения газами восстановителями (H2, CO), а также частицами сажи, т.е. теми возможными компонентами, которые могут химически реагировать с оксидами азота [16…19].

Известные вторичные методы уменьшения выбросов оксидов азота и серы, связанные с системами газоочистки, хотя и обеспечивают высокую степень очистки дымовых газов, требуют при этом значительных энергетических затрат с использованием различных химических реагентов, что снижает их экономическую и экологическую эффективность [20, 21]. Они, как правило, находятся на стадии опытно-промышленных испытаний.

Как показывает статистика [22…27], в большинстве случаев (водогрейные котлы и котлы паропроизводительностью до 670 т/ч) объем выброса оксидов азота в 1,5-2,0 раза превышает нормативные значения. И, как правило, модернизация устаревшего оборудования, связанная с реконструкцией, не всегда оказывается экономически оправданной [28…30]. Поэтому для таких котлов наиболее выгодными являются малозатратные технологические мероприятия (без внесения какихлибо изменений в конструкцию котла):

а) сжигание с пониженными избытками воздуха (с умеренным химическим недожегом) [22, 25, 26] является одним из легко реализуемых режимных мероприятий и состоит в уменьшении коэффициента избытка воздуха в топке котельной установки. Достоинство данного метода подавления оксидов азота состоит в возможности его реализации на действующих котлах, работающих с высокими коэффициентами избытка воздуха. Уменьшение коэффициента избытка воздуха в топке до значений раб (0,02 0,04) позволяет снизить выбросы оксидов азота на 10-30 %.

Эффективность сжигания с умеренным недожогом повышается еще больше при дальнейшем уменьшении избытка воздуха в топке вплоть до появления химического недожога. Однако для поддержания таких режимов работы котельной установки требуется наличие современных средств автоматизации и высокая квалификация персонала, поскольку в этом случае возникает необходимость контроля процесса горения.

В случае комбинирования различных методов подавления эмиссии оксидов азота получить еще большее снижение концентрации NOX в уходящих газах позволяет дополнительная реализация контролируемого химического недожога топлива [28…30].

Влияние режима сжигания топлива с умеренным химическим недожогом на экономичность котельной установки оказывается незначительным, поскольку одновременно с уменьшением коэффициента избытка воздуха в топке происходит увеличение температуры уходящих газов.

б) нестехиометрическое сжигание характеризуется созданием в объеме топочной камеры восстановительной (в < 1,0) и окислительной ( ок >> 1,20…1,25) зон горения при сохранении традиционных избытков воздуха на выходе из топки [28, 29] (рисунок 1.1). Оно может быть обеспечено за счет перераспределения между горелками воздуха, топлива или одновременно топлива и воздуха.

Существенным недостатком данного способа сжигания топлива является снижение экологической эффективности при уменьшении производительности котла, что связано с нарушением оптимальности соотношения топливо-воздух. Решение данной проблемы может быть достигнуто путем настройки системы регулирования топливосмешения в горелках.

в) упрощенное двухступенчатое сжигание [24, 25, 28, 30] состоит в отключении части горелок по топливу без прекращения подачи через них воздуха (рисунок 1.2). Эффективность снижения образования оксидов азота при реализации данного мероприятия (20-50 %) зависит от выраженности в топке котельной установки окислительной и восстановительной зон.

Рисунок 1.1 – Схемы реализации нестехиометрического сжигания:

Основными недостатками упрощенного двухступенчатого сжигания являются отсутствие возможности позонного отключения горелок при работе некоторых котлов на максимальных нагрузках, а также повышение содержания горючих в уносе и интенсификация коррозии нижней радиационной части, также возможна высокотемпературная коррозия экранных поверхностей нагрева на котлах высокого давления.

В отношении котлов, работающих на твердом топливе (а это, главным образом, котлы, расположенные на электростанциях Сибири и Дальнего Востока России) наиболее оправданными на сегодняшний день (с точки зрения техникоэкономических показателей) являются не режимные технологические мероприятия, связанные с модернизацией:

а) использование малотоксичных горелок [22, 27, 31…36].

Эффективность снижения выбросов NOX при использовании малотоксичных горелок составляет около 30-50 %. Так, например, сочетание малотоксичных горелок с различными вариантами ступенчатого сжигания позволяет достичь снижения образования NOX до 350 мг/м3 при соответствующем соблюдении норм для вновь вводимых котлов ТЭС [28…30]. Существенными недостатками малотоксичных горелок является нестабильность горения и неполнота сгорания топлива, а также необходимость запаса расстояния до противоположного экрана топки.

б) рециркуляция дымовых газов [4…6].

Эффективность применения рециркуляция газов для котлов, работающих на газе, достигает 60 %, а для котлов сжигающих высокореакционные угли составляет около 20 %. Особенностью рециркуляции газов является невозможность ее применения при сжигании углей класса АШ, Т и СС, что связано с высокой шлакующей способностью этих топлив. Достоинство рециркуляции дымовых газов заключается в стабильности зоны горения и увеличении температуры перегрева на барабанных котлах.

в) концентрическое сжигание [37].

Сжигание топлива в высококонцентрированном потоке аэросмеси является современной схемой подачи пыли в топку котельной установки, при которой пыль перемещается в горелку потоком воздуха под давлением с концентрацией 20-40 кг/кг, что значительно превышает ее концентрацию при традиционной схеме транспортирования (для сравнения, 0,3-0,8 кг/кг).

Достоинство концентрического способа сжигания топлива состоит в сниженном по сравнению с обычным способом сжигания недожогом, что объясняется плавным (не скачкообразным) воспламенением; значительно снижается вероятность шлакования и коррозии поверхностей нагрева котла, не происходит ухудшения экономичности котельной установки; стоимость реализации данной технологии оказывается гораздо ниже аналогичных по эффективности типовых решений.

Однако данная технология сжигания топлива оказывается оправданной только на котлах, сжигающих высокореакционные угли, а на ТЭС, сжигающих антрациты и тощие угли, ее применение приводит к увеличению потерь с механическим недожогом и снижению КПД котельных агрегатов.

г) технология трехступенчатого горения с восстановлением NOX (reburning) [22, 23, 38…42] заключается в возможности организации ступенчатого регулирования избытков воздуха на создаваемых «участках факела» за счет расположения топливных горелок в несколько ярусов по высоте топки.

Эффективность трехступенчатого сжигания с зоной восстановления NOX оказывается на 10-20 % выше эффективности двухступенчатого сжигания. Недостатком такой схемы сжигания, как и при двухступенчатой схеме, является увеличение количества горючих в уносе, а также химический недожог в зоне третичного дутья и необходимость наличия газового топлива, что приводит к удорожанию и усложнению эксплуатации котельной установки.

Для очистки дымовых газов от оксидов азота с помощью химических реагентов в энергетике применяют две технологии [8…12]: селективное каталитическое восстановление (СКВ) в присутствии оксидных ванадий-титановых катализаторов и селективное некаталитическое восстановление (СНКВ).

Эффективность каталитической очистки дымовых газов выше, чем при некаталитических методах, и может достигать 90-92 %, однако со временем по мере загрязнения катализатора она снижается.

Существуют два варианта реализации СКВ-технологии [9…129], различающихся местом размещения каталитического реактора (рисунок 1.3).

1 – распределительная решетка; 2 – загрузочный люк; 3 – обдувочное устройство; 4 – съемная крышка; 5 – корзина катализаторов; 6 – входной люк; 7 – корпус реактора; 8 – опорная балка В первом варианте реактор встраивается в рассечку между конвективными поверхностями нагрева (чаще до экономайзера) котла, во втором – после золоуловителя. Чаще применяют второй вариант, поскольку в этом случае в каталитическом реакторе частично удаляются также дибензодиоксины и фураны по следующим реакциям [11, 12]:

C12HnC18-nO2+(9+0,5n)O2 (n-4)H2O+12CO2+(8-n)HCl;

C12HnCl8-nO+(9,5+0,5n)O2 (n-4)H2O+12CO2+(8-n)HCl;

Метод СКВ применяют в случаях, когда фоновая концентрация NOX приближается к предельно допустимой. Наиболее простым примером СНКВтехнологии является восстановление оксидов азота с использованием аммиака и его производных (мочевины, циануровой кислоты, меламина, формамида и др.) (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Принципиальная технологическая схема установки азотоочистки по 1 – корпус котла; 2 – распыливающая решетка; 3 – электрофильтры; 4 - дымососы; 5 – насосы;

6 – обратный клапан; 7 – регулирующий клапан; 8 - промежуточная емкость аммиачной воды;

9 – регулирующие клапаны на линии подвода пара от коллектора собственных нужд; 10 – регулирующие клапаны на линии конденсата; 11 – аммиачное хозяйство; 12 – сетчатый фильтр;

Основными разработчиками установок СНКВ в России являются ВТИ и Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина [43].

Восстановление NOX с помощью аммиака наиболее эффективно происходит в интервале температур 870-1100 °С [9, 10]. При более низких температурах реакция идт настолько медленно, что ею можно вообще пренебречь; при более высоких температурах возникает тенденция окисления аммиака до NO, вместо восстановления оксидов.

Значительное влияние на эффективность очистки дымовых газов оказывает время протекания процесса. Для завершения реакции восстановления оксидов азота дымовые газы необходимо выдерживать в указанном диапазоне температур более 0,3 с (примерно 0,6 с).

Коэффициент полезного действия установок с применением технологии СНКВ находится в пределах 40-70 %. Для достижения требуемых показателей по выбросам NOX этого вполне достаточно [9...11].

1.2.2 Методы очистки дымовых газов ТЭС от оксидов серы В зависимости от мощности котельных установок и сернистости сжигаемого топлива методы сероочистки могут быть подразделены на три категории [44…49]:

- для котлов малой и средней мощности, сжигающих мало- и среднесернистое топливо, – со степенью сероочистки 30-35 %;

- для котлов малой и средней мощности, сжигающих среднесернистое топливо, – со степенью сероочистки 50-60 %;

- для котлов всех мощностей, сжигающих высокосернистое топливо, – со степенью сероочистки не менее 85 %.

Наиболее распространен в промышленно развитых странах Европы, а также в США и Японии известковый метод с использованием мокрых скрубберов [4, 6].

В России для котлов малой и средней мощности, сжигающих мало- и среднесернистое топливо, разработаны технологии с использованием имеющихся на ТЭС объемов котельного оборудования и золоуловителей – скрубберов Вентури (или других подобных аппаратов с использованием воды) и электрофильтров [45, 46]. Все эти методы по технологическому принципу подразделяются на: сухие (сухая известняковая технология), мокросухие и мокрые (известняковая, аммиачно-сульфатная, озонно-аммиачная, сульфат-магниевая). Однако, в жилищнокоммунальном хозяйстве и коммунально-бытовой сфере (водогрейные котлы малой мощности до 100 кВт) эти методы неприменимы из-за их сложности, высокой стоимости и низкой эффективности. Обилие мелких установок, недостаточное развитие сферы их обслуживания приводит к тому, что их роль в загрязнении воздушного бассейна также оказывается достаточно высокой [16].

Сущность сухой известняковой технологии (рисунок 1.5) заключается в обжиге в топочной камере котла при температуре 1000-1100 °С известняка, который превращается в этих условиях в активную известь [44, 45]. Разновидностью данной технологии является подача тонкодисперсной извести в конвективную шахту котла или соды в газоходы уходящих газов.

Рисунок 1.5 – Схема сухой известняковой технологии сероочистки В случае наличия мокрых золоуловителей, общая степень сероочистки может быть доведена до 60-65 % за счет дополнительного поглощения оксидов серы остатками активной извести в золоуловителе [44, 45].

Использование мокрых золоуловителей для сероочистки (рисунок 1.6) приемлемо при сжигании твердого топлива, в летучей золе которого имеются повышенные концентрации оксида кальция [44, 45].

При работе мокрого золоуловителя, орошаемого известковым молоком достигается одновременное улавливание диоксида серы и золовых частиц (степень улавливания 35 и 98 %, соответственно).

Капитальные затраты на реализацию технологии с выщелачиванием золы с указанной эффективностью составляют около 8-15 дол/кВт при увеличении расхода энергии на собственные нужды, не превышающем 0,05 % [45, 47].

За счет применения двойной щелочной технологии (второй реагент – сода Nа2СО3) с помощью мокрых золоуловителей можно достичь эффективности обессеривания дымовых газов на уровне 50-60 %.

В этом случае капитальные затраты составят около 15-20 дол/кВт [45, 46].

Применение упрощенной мокро-сухой технологии очистки дымовых газов от оксидов серы (рисунок 1.7) рационально на котельных установках большой мощности с многопольными электрофильтрами в случае, когда приведенная сернистость топлива составляет менее 0,3 %·кг/МДж. Эффективность данной технологии составляет около 50-60 %. Удельные капитальные затраты для реализации этой технологии не превышают 6 дол/кВт. Все необходимое оборудование является отечественным. Увеличение расхода энергии на собственные нужды составляет примерно 0,03 % [45, 46, 49].

Рисунок 1.7 – Схема мокросухой технологии сероочистки При использовании высокоактивной извести-пушонки из продуктов сгорания среднесернистого топлива можно уловить до 90 % диоксида серы [45, 49].

Удельные капитальные затраты на эту технологию оцениваются примерно в 15 дол/кВт, рост потребления электроэнергии – в 0,4 % [44, 45].

Недостатком мокросухих технологий является увеличение концентрации соединений кальция в складируемых на золоотвале отходах – при гидравлическом транспорте золы на золоотвал повышенное содержание кальция в ней требует принятия определенных мер по предупреждению образования отложений в пульпопроводах и трубопроводах осветленной воды. Наиболее приемлемым способом транспортирования золы в таких технологиях являются пневосистемы.

В основе мокрых технологий сероочистки лежит интенсивная промывка уходящих от котла дымовых газов водными суспензиями или растворами реагентов с высокой степенью диссоциации на ионы. При промывке газов происходит сильное охлаждение продуктов сгорания, возникает необходимость дополнительного подогрева во избежание коррозии газового тракта, дымососов и дымовой трубы [47].

Интенсивная промывка газов приводит одновременно к улавливанию за счет инерционного захвата до 30 % тонкодисперсной летучей золы, частицы которой обогащены тяжелыми металлами [47].

Эффективность газоочистки с помощью мокрых технологий с применением специальных аппаратов, устанавливаемых после золоуловителя, составляет 99 % и более независимо от мощности котельных установок. При этом некоторые мокрые технологии позволяют улавливать в одном аппарате два или три компонента дымовых газов, что существенно удешевляет процесс всей газоочистки по сравнению с индивидуальными процессами [45].

В настоящее время активно используется несколько технологий мокрой сероочистки дымовых газов: известняковая (известковая), аммиачно-сульфатная, озонно-аммиачная и сульфатно-магниевая, каждая из которых имеет свои особенности.

Недостатком мокрой известняковой технологии является увеличение расхода электроэнергии на собственные нужды (на 3,5-4,0 %) в связи с применением насосов большой мощности для орошения абсорбера (по причине низкой растворимости известняка и извести в воде). Также для размещения аппаратов мокрой известняковой технологии (абсорберы, насосы, емкости и др.) требуется дополнительная площадь в ячейке энергоблока.

Аналогом мокрой известняковой технологии является использование морской воды, поскольку в морской воде содержится большое количество ионов щелочноземельных металлов, которые могут связывать диоксид серы с образованием устойчивых сульфатов. В данной технологии дополнительные реагенты не требуются [45, 46, 48].

Отказ от промежуточных стадий фильтрования снижает капитальные вложения в эту сероочистку на 30-35 %.

Высокая активность реагента в аммиачно-сульфатной технологии обеспечивает полное его использование в соответствии со стехиометрическим соотношением при минимальном расходе орошающего раствора аммонийных солей и минимальных размерах абсорбера [44, 45, 47]. В результате очистки дымовых газов с помощью аммиачно-сульфатной технологии совместно с оксидами серы происходит улавливание до 30 % оксидов азота.

Степень сероочистки при стехиометрическом расходе реагента в аммиачносульфатной технологии достигает более 99 % [49].

В основе озонно-аммиачной технологии лежит доокисление диоксида серы и оксидов азота до высших оксидов озоном, с последующим растворением их в воде с образованием смеси серной и азотной кислот, нейтрализуемых аммиачной водой.

Совместно с улавливанием оксидов серы и азота данная технология позволяет извлекать из продуктов сгорания часть летучей золы.

Примерные капитальные вложения в озонно-аммиачную сероочистку для улавливания 87 % диоксида серы при сжигании каменных углей (с приведенной сернистостью 0,149 %·кг/МДж) на котле паропроизводительностью 420 т/ч равны 172 млн. руб. (45 дол/кВт) [45, 47].

Низкотемпературное окисление (LoTOx) SO2 до SO3 [45, 50], основанное на вводе в дымовые газы озона и нейтрализации образовавшихся высших оксидов азота и серы в специальном абсорбере является близким аналогом озонноамиачной технологии, поскольку в качестве нейтрализатора кислых компонентов используется аммиак. Ожидаемая эффективность очистки газов от оксидов азота на 98,7 %, от диоксида серы – на 99,1 % и окисление паров ртути – на 87,3 %. Капитальные вложения в эту технологию оцениваются в 57 дол/кВт, что примерно втрое ниже комбинации мокрой известняковой сероочистки и селективного каталитического восстановления оксидов азота аммиаком [45].

В основе сульфатно-магниевой технологии лежит применение природного реагента – магнезита MgCO3, а также таких соединений магния, как оксид MgO и гидроксид Mg(OH)2 [45].

Эта технология сероочистки является очень близкой по технологическому принципу к мокрой известняковой технологии. Но некоторые особенности данной технологии (отсутствие гуммирования внутренних поверхностей абсорбера и др.) значительно удешевляют ее реализацию.

Сульфатно-магниевую технологию целесообразно применять в первую очередь на ТЭС, расположенных недалеко от источника природного реагента [45, 46, 48].

1.2.3 Современные методы очистки дымовых газов ТЭС Высокотемпературное восстановление оксидов азота карбамидом. Российским государственным университетом нефти и газа им. И.М. Губкина разработана технология очистки газов, в основе которой лежит принцип высокотемпературного СНКВ оксидов азота карбамидом. Процесс очистки протекает в интервале температур 850-1150 °С в соответствии с брутто-реакцией [8, 12, 43]:

Для восстановления NOX используется 40 %-ный водный раствор карбамида, который готовиться непосредственно на объекте путем растворения гранулированного карбамида в химочищенной воде или поставляется в готовом виде.

Эксплуатационные расходы определяются в основном количеством потребляемых в процессе очистки карбамида и низкопотенциального водяного пара. Массовый расход карбамида примерно равен количеству восстанавливаемых в единицу времени оксидов азота.

Основным преимуществом реагента – карбамида, по сравнению с аммиаком, является значительно меньшая его токсичность.

Используемая технология обеспечивает очистку дымовых газов котлов от оксидов азота на уровне 60-70 % при условии соблюдения оптимальных условий проведения процесса (температура дымовых газов в зоне ввода восстановителя 900-950 °С, время контакта восстановителя с дымовыми газами при данной температуре более 1,0 с) [8, 12].

Плазменная термохимическая подготовка угля. Одним из современных способов подавления эмиссии NOX при сжигании твердого топлива является применение плазменной термохимической подготовки угля (рисунок 1.8). Сущность термохимической подготовки угля заключается в воспламенении его низкотемпературной плазмой в период растопки котла и стабилизации режима горения факела. При дефиците окислителя угольную аэросмесь подают в камеру плазменноугольной горелки, где часть ее, взаимодействуя с низкотемпературной плазмой, полученной в плазматроне, воспламеняется, нагревая остальную аэросмесь до 1200 К и выше [51…54].

Характерной особенностью плазменной подготовки топлива при замещении растопочных топлив углем является недостаточная концентрация окислителя в аэросмеси, при этом коэффициент избытка воздуха в камере термохимической подготовки топлива может быть равным 0,15-0,25 [51]. Данные условия позволяют уменьшить эмиссию оксидов азота внутри плазменно-угольной горелки вследствие перехода большей части топливного азота в молекулярное состояние.

Рисунок 1.8 – Плазменно-топливные системы (ПТС):

Дополнительно с ростом концентрации угля в аэросмеси возрастает надежность, экономичность и эффективность применения плазменной технологии. Однако в некоторых случаях при использовании плазменной термохимической подготовки угля могут потребоваться дополнительные меры по предупреждению высокотемпературной коррозии поверхностей нагрева.

Сорбционная очистка дымовых газов с помощью природных цеолитов.

С учетом особенностей рассмотренных методов, перспективное значение в развитии газоочистных технологий на ТЭС имеет адсорбционный способ очистки дымовых газов.

Природные цеолиты как таковые уже довольно давно нашли применение в различных областях промышленности, а также в ряде производств (для технологических нужд). Несмотря на это, в отрасли тепловой энергетики они не имели должного применения до настоящего времени (есть частный опыт их использования в водном хозяйстве энергетических объектов страны).

Данная технология основана на добавлении в твердое топливо перед поступлением его в топочную камеру тонко размолотого природного цеолита, особенностью которого является способность улавливать сразу несколько вредных газовых компонентов. Технология с применением в качестве сорбента природных цеолитов является очень схожей с сухой известняковой технологией.

Интенсивность улавливания диоксида серы и оксида азота в диапазоне температур 500-850 °С зависит от тонины помола реагента, поскольку процесс сорбции определяется преимущественно поверхностью контакта реагента с газом, которая в свою очередь, зависит от размера частиц [55, 45]. Естественно, совместное сжигание углей с природным цеолитом сопровождается использованием части тепла дымовых газов, что снижает КПД котла. В этом отношении сравниваемые технологии равноценны, поскольку, например, при сжигании бурых углей ввод в дымовые газы рассматриваемых реагентов снижает КПД котла примерно на 1,1 %.

Если сравнивать природные цеолиты с известняком относительно оправданной (без заметного влияния на экономичность котельной установки) степени сероочистки дымовых газов с их помощью, то здесь природные цеолиты оказываются эффективнее, т.к. позволяют произвести более глубокое извлечение серы из дымовых газов (90-95 % против 30-35 %).

Что касается капитальных вложений для реализации рассматриваемых технологий, то и здесь на первое место выходят природные цеолиты, т.к. они являются более дешевым технологическим сырьем. Так, в частности, на энергоблоке мощностью 200 МВт Харанорской ГРЭС вложения на реализацию известняковой технологии составляют около 5 дол/кВт [45], в то время как реализация технологии с природными цеолитами составит менее 1 дол/кВт.

Немаловажной особенностью очистки дымовых газов с помощью природных цеолитов является малая потребная площадь для размещения оборудования в ячейке котла. К тому же данная технология (аналогично известняковой) позволяет отказаться от пневматической системы для транспортирования реагента, что снижает износ трубопроводов и в 3-4 раза уменьшает потребление электроэнергии на транспортирование [45].

1.3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СПОСОБОВ

СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ

Рассмотренные выше способы снижения вредных выбросов, основанные на различных технологических решениях, обладают достаточной эффективностью применительно к оборудованию, используемому для преобразования химической энергии топлива. Однако, учитывая критическое состояние экологии окружающей человека среды и огромный объем сжигаемого топлива, эти способы оказываются слишком дорогостоящими и не всегда экономически целесообразными с точки зрения повсеместного внедрения на производственных объектах (учитывая соотношение остаточного срока эксплуатации большей части эксплуатируемого котельного оборудования и срока окупаемости способов). Поэтому очевидной становится необходимость разработки и внедрения в сферу энергетического производства доступных (в технологическом отношении) и малозатратных способов снижения вредных выбросов, которые также не уступали бы по экологической эффективности существующим на сегодняшний день способам.

Одной из причин сложившейся ситуации относительно экономической целесообразности способов снижения вредных выбросов, является неадекватно низкий уровень платы, начисляемой экологическими службами государства за выброс загрязняющих веществ в атмосферу, не учитывающий всей полноты ущерба, наносимого объектами промышленности и энергетики окружающей среде (по сравнению с затратами этих объектов на приобретение топливно-энергетических ресурсов и прибыли от реализации).

По этой же причине в энергетической отрасли РФ наблюдается низкий уровень внедрения различных технологий, направленных на повышение экологической безопасности производственных объектов.

Так, например, плата за выброс вредных веществ «Красноярской ТЭЦ-1»

ОАО «Красноярская генерация» в 2007 г. в экологический фонд составила около 7,5 млн. руб. В то же время величина этой платы составляет всего около 0,5-0,7 % от размера годовых расходов на приобретение топливно-энергетических ресурсов.

Данный факт объясняется использованием для оценки экологического совершенства производства предельно допустимых уровней выброса вредных веществ в атмосферу, что не обеспечивает адекватность оценки негативного воздействия, поскольку эти уровни были установлены самим человеком и практически не имеют в своей основе теоретического обоснования.

1.3.1 Количественный метод нормирования примесей вредных веществ Нормирование примесей в атмосферном воздухе ведется по концентрации, т.е. по количеству вещества в единице объема воздуха при нормальных условиях (обычно в мг/м3).

Для каждого вещества, загрязняющего атмосферный воздух устанавливаются два норматива: максимально разовая ПДК и среднесуточная ПДК (таблица 1.1).

Среднесуточная ПДК – предельно допустимая концентрация, которая устанавливается с целью предупреждения общетоксического, канцерогенного и мутагенного влияния вещества на организм человека. Эта концентрация не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неопределенно долгом (годы) вдыхании.

Максимально разовая ПДК – предельно допустимая концентрация, которая устанавливается для предупреждения рефлекторных реакций у человека при кратковременном воздействии атмосферных загрязнений (до 20 мин).

Таблица 1.1 – Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в РФ Углеводороды суммарные Максимально-разовая ПДК является основной характеристикой опасности вредного вещества. Наибольшая концентрация каждого вредного вещества в приземном слое атмосферы С не должна превышать максимально разовой ПДК [56].

В соответствии с [56] базовые нормативы платы за выбросы конкретных загрязняющих веществ определяются как произведение удельного экономического ущерба от выбросов загрязняющих веществ в пределах допустимых нормативов или лимитов выбросов на показатели относительной опасности конкретного загрязняющего вещества для окружающей природной среды и здоровья населения и на коэффициенты индексации платы. Базовые нормативы платы за выбросы загрязняющих веществ в окружающую природную среду рассчитаны для наиболее распространенных загрязняющих вредных веществ.

Показатели относительной опасности веществ ( Ai ) рассчитываются на основе нормативных документов «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест»:

где, ПДКi для атмосферного воздуха принимается предельно допустимая концентрация среднесуточная (ПДКСС). При отсутствии ПДКСС применяется предельно допустимая максимально разовая концентрация (ПДКМР), при отсутствии ПДКСС и ПДКМР применяется ориентировочный безопасный уровень воздействия (ОБУВ).

Как правило, в атмосферном воздухе, находится несколько загрязнителей, которые могут обладать однонаправленным действием. В этом случае в соответствии с методиками установления ПДК используется требование о выполнении следующего соотношения:

где C1, Cn – фактические концентрации вредных веществ в воздухе в одной и той же точке местности, мг/м3; ПДК1, ПДК n – максимально-разовые предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе атмосферы, мг/м3.

Эффектом однонаправленного действия обладают диоксид серы и диоксид азота, диоксид серы и сероводород и другие.

Наряду с ПДК для каждого источника выбросов в атмосферу устанавливается предельно допустимый выброс (ПДВ) вредных веществ, исходя из условия, что выбросы вредных веществ от данного источника и совокупности источников населенного пункта, с учетом развития промышленных предприятий, не создадут концентрацию, превышающую ПДК для населения и окружающей среды [56].

1.3.2 Экономический метод оценки целесообразности способов В соответствии с методическими рекомендациями по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования, разработанными на основании методологии, предложенной ЭНИДО и широко применяемой в современной международной практике, утвержденными совместным постановлением Госстроя, Министерства экономики, Министерства финансов и Госкомпрома России в 1994 году, в качестве основных критериев оценки экономической целесообразности финансовой эффективности инвестиционных проектов на микроэкономическом уровне рекомендуется использовать четыре основных показателя [57]:

– чистый дисконтированный доход (ЧЧД) или интегральный эффект, Net – индекс доходности (ИД), Profitability Index (PI);

– внутреннюю норму доходности (ВНД), Internal Rate of Return (IRR);

– срок окупаемости, Payback Period (PBP).

Чистый дисконтированный доход определяется как превышение приведенных к начальному моменту времени интегральных результатов над приведенными к тому же моменту времени интегральными затратами за весь расчетный период времени и определяется в случае единовременных капитальных вложений по формуле [57]:

где Rt – чистый приток реальных денег без учета капитальных вложений, руб;

норма дисконта; К – капитальные вложения, руб.

Операция дисконтирования широко используется в мировой экономической практике для приведения результатов и затрат к единому базовому моменту времени [58].

Под термином дисконтирование затрат понимается определение современной стоимости потока будущих платежей, т.е. определение суммы, которую необходимо иметь инвестору в банке перед началом реализации проекта для того, чтобы обеспечить поступление всех необходимых платежей по установленному графику в течение всего расчетного периода действия проекта [57].

Дисконтирование результатов проекта осуществляется для определения их ценности в начальном периоде, т.е. для представления интегральных результатов в виде некоторой исходной суммы, которая будучи единовременно вложенной в банк, позволила бы инвестору получать на каждом расчетном шаге в течение всего периода действия проекта такие же результаты, какие обеспечивает данный инвестиционный проект [57].

Таким образом, равенство дисконтированных затрат дисконтированным результатам однозначно свидетельствует о том, что при реализации проекта инвестор получит точно такой же финансовый результат, какой он мог бы получить, располагая тем же исходным капиталом, оставленным в банке, отказавшись от реализации проекта.

Разность между дисконтированными результатами и затратами служит для оценки финансовой эффективности проекта и называется чистым дисконтированным доходом [57].

Если при выбранной норме дисконта ЧДД положителен, то проект является экономически целесообразным и может рассматриваться вопрос о его принятии, т.е. NPV(ЧДД)>0 [57].

Под нормой дисконта каждый инвестор подразумевает такую форму дохода на капитал, которая в форме процентной ставки по вкладам установлена обслуживающим его банком [57].

При постоянном уровне инфляции, установившемся на некоторый период времени, достаточный для затухания переходных процессов и возникновения относительной финансовой стабильности, номинальная процентная ставка по банковским вкладам стремится к значению, определяемому из уравнения:

где Е – номинальная процентная ставка по вкладам, год-1; Ер – реальная процентная ставка, год-1.

Под номинальной процентной ставкой понимается норма денежного дохода по вкладу, выраженная в долях единицы. Под реальной процентной ставкой понимается выраженный в долях единицы фактический материальный доход по вкладу, рассчитанный через количество товаров и услуг [57].

В настоящее время при относительно устойчивом показателе инфляционного роста цен 18-20 % годовых, реальная процентная ставка составляет 4-5% в год.

Уровень доходности, обеспечиваемый коммерческими банками, несколько выше.

Реальная процентная ставка по вкладам в наиболее надежных коммерческих банках России составляет 5-10 % в год [57].

Таким образом, используя введенное Фишером понятие реальной процентной ставки, как некоторой среднестатистической макроэкономической константы, выражение, определяющее чистый дисконтированный доход, примет вид:

Это выражение доказывает, что даже в условиях сильной инфляции при больших номинальных процентных ставках по банковским вкладам в качестве нормы дисконта для оценки экономической целесообразности инвестиционных проектов следует выбирать реальные значения, не превышающие 10 % в год [57].

В случае, когда финансовые результаты инвестиционного проекта определяются экономией топлива или энергии, при расчете чистого дисконтированного дохода следует учитывать тот факт, что темп роста цен на энергоносители во всем мире опережает средний темп инфляционного роста цен примерно на 2 % в год.

Это значит, что ежегодные результаты такого инвестиционного проекта в финансовом выражении должны быть на 2 % выше обычных, определяющихся средним темпом инфляционного роста цен [57].

По аналогии с формулой Фишера формула для расчета чистого дисконтированного дохода от реализации энергосберегающих инвестиционных проектов, имеет следующий общий вид:

По своей структуре формула для расчета реальной нормы дисконта с учетом инфляции и опережающего роста цен на энергоносители аналогична формуле Министерства экономики, используемой для определения дисконтной ставки с учетом инфляции при расчете бюджетного экономического эффекта:

Предельная величина нормы дисконта Е *, рассчитанная по формуле (1.5) с учетом максимального значения реальной процентной ставки коммерческих банков Ер 0,1 год-1, не должна превышать значения Е* 0,08 год-1.

Реальные значения нормы дисконта Е * при оценке экономической целесообразности каждого конкретного энергосберегающего проекта следует определять на основании фактических данных о номинальной норме дохода на капитал в банке, обслуживающем инвестора, и среднем темпе инфляционного роста цен, установившемся в стране в рассматриваемый период [57].

При отсутствии этих данных для предварительной оценки финансовой эффективности проекта можно использовать предельное значение, приведенное выше, однако следует иметь в виду, что полученные при этом результаты будут носить ориентировочный характер. Поэтому, если чистый дисконтированный доход, рассчитанный с учетом предельной нормы дисконта Е* 0,08 год-1, является положительным, то можно однозначно гарантировать экономическую целесообразность данного проекта и при любых других более низких реальных значениях Е *.

В противоположном случае вывод о финансовой неэффективности проекта не может считаться окончательным. Окончательное заключение может быть сделано только после расчета ЧДД с учетом реального значения Е *, рассчитанного по формуле (1.5).

Величина 1 (1 Е* )t, входящая в формулу (1.4), называется дисконтирующим множителем. Сумма дисконтирующих множителей называется коэффициентом дисконтирования и обозначается символом :

С учетом этого обозначения формула чистого дисконтированного дохода принимает наиболее простой вид [57]:

При постоянной норме дисконта Е* const, величина может быть рассчитана по формуле:

В предельном случае при сроке службы объекта, стремящемся к бесконечности, величина коэффициента дисконтирования зависит только от выбранной нормы дисконта, то есть 1 Е* при Т сл.

Индекс доходности PI( I д ) представляет собой отношение приведенных к начальному моменту времени (дисконтированных) интегральных результатов к дисконтированным капитальным вложениям. В случае единовременных капитальных вложений, определится как [57]:

Формула, выражающая связь чистого дисконтированного дохода и индекса дохода, имеет вид:

Индекс доходности строится из тех же элементов, что и ЧДД. Первое условие экономической целесообразности с использованием индекса доходности может быть представлено как I д >1 [57].

Численное значение индекса доходности определяет относительную эффективность инвестиций, показывая, во сколько раз чистая дисконтированная прибыль от реализации проекта превышает дисконтированные капитальные вложения в этот проект. Поэтому из двух или нескольких инвестиционных проектов, имеющих одинаковую положительную величину чистого дисконтированного дохода, более эффективным будет тот проект, у которого выше индекс доходности [57].

Срок окупаемости Tок (PBP) представляет собой временной интервал (от начала осуществления проекта), за пределами которого интегральный эффект становится и в дальнейшем остается неотрицательным, т.е. период, в пределах которого первоначальные вложения и другие затраты, связанные с инвестиционным проектом, покрываются суммарными результатами его осуществления [57].

Срок окупаемости можно определить как:

N сл – срок службы или период времени реализации рассматриваемого проекта.

Реализуя принцип сравнения показателей эффективности инвестиционных проектов с соответствующими показателями, сложившимися под влиянием рынка капиталов в альтернативной банковской сфере, в качестве нормативного срока окупаемости при каких либо специальных требованиях инвестора можно испольБ зовать срок окупаемости банковского вклада Tок, лет. Этот срок должен рассчитываться в сопоставимых условиях, т.е. при значении реальной учетной ставки по вкладам, численно равной выбранной норме дисконта.

Условие экономической целесообразности инвестиционного проекта при этом будет иметь вид следующего неравенства [57]:

Определим срок окупаемости банковского вклада с учетом дисконтированной прибыли.

Внутренняя норма доходности (IRR) представляет собой такую норму дисконта Евн, при которой приведенные к начальному моменту времени дисконтированные интегральные результаты равны дисконтированным капитальным вложениям [59, 60].

нормы доходности;

IRR MAX n 1 1 – правая граница интервала изменения внутренней нормы доходности;

NPV ( IRRMIN ), NPV ( IRRMАХ ) – чистый дисконтированный доход для левой и правой границы изменения внутренней нормы доходности.

Внутренняя норма доходности определяет эффективность капитальных вложений в данном конкретном инвестиционном проекте. Она определяется в процессе расчета и сравнивается с требуемой инвестором нормой дохода на вкладываемый капитал. Если определенная внутренняя норма дохода больше принятой нормы дисконта IRR E*, то это еще одно условие экономически целесообразного инвестиционного проекта [57, 59].

Капитальные вложения, требуемые для реализации инвестиционного проекта, могут состоять из нескольких составляющих:

где К з – заемные средства, полученные в виде кредита, руб.; К а – средства, полученные от продажи акций, руб.; К с – собственные средства, руб.

В этом случае требуемая норма дохода на капитал может быть определена по формуле:

где Eкр – уровень доходности, требуемый для погашения кредита, год-1; Еа – уровень доходности, требуемый для выплаты дивидендов по акциям, год -1; Ec – требуемый уровень доходности собственного капитала, год -1; a, z – доли заемного и акционированного капитала в общей структуре инвестиций, определяющиеся:

Индекс доходности инвестиционного проекта, при котором внутренняя норма доходности равна требуемой инвестором норме дохода на капитал, можно определить, как:

Основным условием реализации инвестиционных проектов с использованием кредита является возможность погашения кредита за счет внутренней прибыли без привлечения дополнительных средств на всех этапах промежуточных выплат.

Величина промежуточных выплат количественно оценивается годовой нормой возврата кредита Е (t ), год-1, под которой понимается отношение полной кредитной выплаты каждого текущего года K(t ), руб./год, к стартовой сумме кредита K з, руб., то есть:

Очевидно, величина годовой нормы возврата зависит не только от установленной банком процентной ставки по кредитам, но и от выбранной схемы погашения кредита.

Таким образом, все представленные выше экономические критерии в совокупности с условиями, которым они должны удовлетворять, образуют систему для объективной количественной оценки экономической целесообразности инвестиционных проектов. При этом ни один из перечисленных критериев сам по себе не является достаточным для принятия проекта. Объективным критерием экономической целесообразности является лишь одновременное выполнение всех условий. В отличие от экономической целесообразности условием оптимальности какого-либо решения или проекта является достижение максимальной величины чистого дисконтированного дохода [57].

В случае, когда единственной целью инвестиционного проекта является реализация технических решений, направленных на энергосбережение или сокращение расхода топлива, требующегося для функционирования какого-либо объекта, годовая величина чистой прибыли Rt определяется стоимостью сэкономленных за год топливно-энергетических ресурсов относительно исходного базового варианта, а величина капитальных вложений K определяется относительно того же варианта, как объем дополнительных инвестиций, необходимых для получения указанной экономии [57, 60].

Для определения экономически целесообразного способа снижения вредных выбросов от котельных агрегатов ТЭС необходимо определение всех четырех критериев экономической целесообразности проектов.

Прибыль за счет сокращения годовых эксплуатационных издержек при реализации энергосберегающего варианта, можно определить как:

а дополнительные капитальные вложения, необходимые для получения этой прибыли:

где К э – полные капитальные вложения, необходимые для реализации энергосберегающего варианта, руб.; И э – эксплуатационные издержки, равные суммарной стоимости топливно-энергетических ресурсов, требуемых для функционирования объекта по данному варианту в течение года, руб./год; К* – полные капитальные вложения в базовый вариант, руб.; И* – годовые эксплуатационные издержки, равные стоимости топливно-энергетических ресурсов по базовому варианту, руб./год.

Выражение для расчета чистого дисконтированного дохода, с учетом вышеизложенного, может быть представлено в виде:

где З*, Зэ – дисконтированные затраты по базовому и энергосберегающему вариантам, руб.

При выполнении технико-экономического обоснования энергосберегающих инвестиционных проектов величина дисконтированных затрат базового варианта является известной константой, не зависящей от переменного значения параметра оптимизации, поэтому условию достижения максимума чистого дисконтированного дохода однозначно соответствует условие минимума дисконтированных затрат.

Таким образом, выбор оптимального варианта и проверка его экономической целесообразности должны представлять собой две, не связанные между собой, самостоятельные операции.

1.4 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СПОСОБОВ

СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ

Традиционный подход к оценке эффективности технических процессов, связанных с превращением одних форм энергии в другие, не позволяет в полной мере производить оценку возникающих потерь и установление причин и источников их возникновения. Использование классического энергетического баланса конкретной системы не дает возможности разделения всех потерь, возникающих в системе на обратимые и необратимые. Применительно к охране природной среды, необходимо отметить практическое отсутствие теоретической базы для рационального распределения и потребления природных ресурсов, позволяющей моделировать взаимодействие объектов промышленности с окружающей средой и производить объективный анализ данного взаимодействия [61…63].

Необходимо также отметить, что общим недостатком действующих способов оценки, основанных на применении показателей предельно допустимых уровней воздействия деятельности человека на окружающую среду, является отсутствие общности в оценке воздействия на все составляющие окружающей среды одновременно (атмосферу, литосферу, гидросферу). А также тот факт, что существующие методики, основанные на понятиях предельно допустимых уровней воздействия, направлены на защиту от этого воздействия только человека, а не всей природной среды в целом.

К тому же, принятая в области промышленной деятельности человека практика оценки негативного воздействия предприятий на экологию основывается на количестве (объеме и массе) вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу и гидросферу. Данная практика лишена возможности учета разнородной природы и потенциала потоков, выделяемых в природную среду.

Показателем, характеризующим суммарное воздействие каких-либо объектов антропогенной деятельности на окружающую среду, является эксергия выбрасываемых в нее потоков энергии и вещества. Она позволяет совмещать основы первого и второго начал термодинамики в одном параметре, показывая неодинаковую способность различных форм энергии преобразовываться из одной формы в другую.

В связи с этим, применительно к области экологии тепловой энергетики наиболее рациональным представляется производить анализ способов снижения вредных выбросов от котельных установок на основе теории эксергии, с учетом разделения сопутствующих потерь на безвозвратные и «полезные», использование которых возможно в качестве вторичных энергоресурсов. При этом станет возможным осуществлять объективную оценку различных способов снижения вредных выбросов, как от энергетических источников вредных выбросов, так и от источников, создающих экологическую нагрузку в прочих отраслях промышленного производства и техники.

К тому же эксергетический метод термодинамического анализа технологических процессов – это единственный метод, позволяющий учесть разнородные потоки эксергии, оценить их работоспособность при переходе к параметрам окружающей среды [13, 64, 65].

Во всех технологических процессах, протекающих в производственной среде, постоянно происходит превращение одних видов энергии в другие. Подобно превращению энергии, подчиняющемуся закону ее сохранения, происходит преобразование эксергии в этих же процессах.

Следовательно, технологический процесс, связанный с преобразованием энергии тем совершеннее, чем меньше происходит при его протекании потерь эксергии. Этим и определяется понятие эксергетического баланса (или КПД) процесса или системы.

В общем случае удельной эксергией называют удельную работоспособность теплоты, или потока рабочего тела, в обратимом термодинамическом процессе изменения состояния системы от начальных параметров до состояния равновесия с окружающей средой [66…72]. Данный обратимый переход для потока рабочего тела возможен двумя обратимыми процессами: адиабатным (с изменением температуры рабочего тела от начальной Т1 до температуры окружающей среды Т0) и изотермическим (с изменением давления, соответствующего концу адиабатного процесса, до давления Р0) [73, 74]:

Современные масштабы промышленного производства, постоянно вовлекающие все большее количество материальных и энергетических ресурсов, подвигают ученых к разработке технологий, основанных на максимальном использовании вторичных продуктов. Вторичные продукты, образующиеся в результате какого-либо промышленного производства разнообразны по своим физическим параметрам (давление, температура, химический состав). Используя понятие эксергии потока, становится возможным соотносить эти потоки по степени полезности. В данном случае величина эксергии потока становится эталоном, подобно как эталоном для сравнения различных топлив является теплота сгорания условного топлива.

В процессах, происходящих во время работы котельного оборудования помимо физических процессов производства тепловой энергии (пара) имеют место также химические процессы, такие как горение топлива. Поэтому данные процессы необходимо рассматривать в совокупности, поскольку определение эксергии в процессах, связанных с изменением химической структуры веществ, носит более сложный характер, чем в физических процессах. В связи с этим возникает необходимость использования понятия «химической эксергии», которое позволит определить ценность дымовых газов и золошлаковых продуктов, образующихся в результате сгорания, и учесть это при оценке эксергетического КПД в качестве полезных потоков эксергии [13, 64, 65].

Применительно к выбросу вредных веществ, становится очевидным тот факт, что производственная установка тем экологичнее, чем меньшую величину эксергии имеет поток выбросов, т.е. тем меньше «нагрузка» на природу в форме теплового и химического загрязнения.

Разрабатывая способы снижения вредных выбросов, необходимо стремиться к тому, чтобы выброс потоков энергии и вещества содержал в себе эксергию, близкую к нулю.

К тому же острой является необходимость внедрения в стандартную методику эксергетического анализа эффективности производства тепловой энергии (пара) котельными установками критерия (либо отдельного методологического «блока»), позволяющего наряду с определением потерь эксергии и их разделением на «полезные» (вторичные ресурсы) и безвозвратные определять надежностную составляющую, т.е. определять через величину (абсолютную или относительную, удельную) изменения эксергии потоков влияние конкретного (применяемого) способа снижения вредных выбросов на надежность и режимы работы котельной установки.

Если в конце процесса получается несколько продуктов, то их себестоимость пропорциональна уносимой ими эксергии [75]. При этом поток вещества, выходящего из рассматриваемой системы является тем более «полезным» в плане возможности использования в качестве вторичного ресурса, чем большей величиной эксергии он обладает. В данном случае оценка степени совершенства какоголибо производства принимает более объективный характер, т.к. позволяет учитывать реальные издержки производства с определением участков и причин их возникновения в рассматриваемой системе.

Это также дает стимул для развития малозатратных и эффективных способов снижения вредных выбросов.

1.4.2 Методика расчета отклонений теплотехнических параметров Обеспечение надежности является одной из главных проблем развития современной техники. Проблема надежности многоцелевая: с одной стороны – ухудшение показателей безотказности и долговечности оборудования, с другой ухудшение качественных и количественных характеристик вырабатываемого продукта, которые происходят по различным причинам: эксплуатационным, технологическим, конструктивным, материаловедческим и прочим [76].

По многим разделам надежности оборудования теплоэнергетических установок существуют нормативные документы и практические рекомендации, на основании которых ведутся конструкторские разработки, изготовление и эксплуатация установок. Наиболее крупные и важные теоретические и практические исследования в этой области выполнялись научным коллективом под руководством д-ра техн. наук, проф. Андрющенко А.И. Однако, некоторые существенные вопросы надежности требуют дальнейшего изучения. Так в ядерных установках широко используется понятие теплотехническая надежность. Теплотехнической надежностью называется вероятность реализации основных теплотехнических параметров реактора, определяемых расчетным или экспериментальным путем [76].

Теплотехническая надежность определяется не только работой элементов котлоагрегата, но и отклонениями исходных данных, используемых для тепловых и других проектных расчетов. Ввиду того, что указанные факторы имеют статистическую природу и реализуются при проектировании и эксплуатации агрегата случайным образом – теплотехническая надежность агрегата представляет собой некоторую случайную функцию. Для построения такой функции и ее анализа можно использовать положения, разработанные для ядерных установок. При этом основная трудность методики заключается в отсутствии обобщенных статистических данных об отклонениях исходных параметров и законов их распределения, которые предопределяют теплотехническую надежность котельных установок [76].

Изложенная методика позволяет получить информацию о качестве рассматриваемой системы и дать оценку ее надежности [76].

Однако надо заметить, что повышая точность расчета, повышается и стоимость производимого продукта, т.к. происходит увеличение запаса на возможные случайные отклонения, поэтому также необходимо делать и экономический расчет. Совместно эти два расчета (расчет теплотехнической надежности и экономический расчет увеличения стоимости в результате увеличения запаса) дадут наиболее верный вариант для принятия его в производство [76].

Эти проблемы в значительной степени проработаны и широко используются в атомной энергетике. Для теплоэнергетических установок соответствующие исследования проводились под руководством д.т.н., профессора Трофимова А.С.

[76].

Аналитические методы расчета надежности установок основаны на использовании двух подходов. Один из них основан на использовании логических схем (метод дерева отказов и метод минимальных путей и сечений), при условии применимости – существование логической схемы и независимости отказов элементов, кроме того, логические схемы можно построить только для простых схем и за длительный период [76].

Деревом отказов называется логическая графологическая иерархическая схема, представляющая собой связь событий отказа системы с отказами элементов [76…78].

Дерево отказов начинается с конечного события, в качестве которого понимается полный отказ системы. На более низком уровне обозначаются события, которые вызывают конечное событие в соответствии с логической операцией, связывающей эти события. На нижнем уровне располагаются события отказов элементов. Анализ дерева отказов заключается в определении такой комбинации элементов, одновременный отказ которых приводит к вершине дерева – отказу энергоустановки [76].

Минимальный путь – это такое множество элементов, отказ которых приводит к отказу системы, но работоспособное состояние любого из них обеспечивает работоспособное состояние системы при условии работоспособности элементов, не входящих в данное минимальное сечение.

В общем случае система может иметь несколько минимальных путей и минимальных сечений. Только последовательная система имеет единственный минимальный путь.

Метод минимальных путей и сечений позволяет получить интегральную оценку вероятности безотказной работы.

Вторая группа методов расчета надежности (метод перебора состояний и Марковская модель) основана на вычислении вероятностей и частот состояний, выборе критериев и условий отказа системы.

Для расчета надежности системы методом перебора состояний необходимо определить все возможные состояния системы и возможные переходы между ними. Метод перебора состояний эффективен только при малом количестве элементов в системе. Для системы с большим числом элементов может быть применен прием усечения пространства состояний.

В основе метода расчета надежности, основанного на использовании Марковских процессов, лежит описание функционирования энергетических установок Марковским процессом с дискретным множеством состояний, каждое из которых определяется состоянием ее элементов, и непрерывным временем [79]. Такое описание состояний системы возможно только в том случае, если для каждого момента времени вероятность любого состояния в будущем зависит только от состояния системы в данный момент и не зависит от того, каким путем система пришла в данное состояние.

Перечисленные методы второй группы позволяют получить нестационарные значения показателей надежности и требуют более сложного математического аппарата. При их использовании закон распределения вероятностей отказов и восстановлений объектов, как правило, принимается экспоненциальным. Представление элементов в двух состояниях (работа – отказ) в этом случае необязательно [76].

Как известно, при конструкторском тепловом расчете парового котла определяются размеры поверхностей нагрева (топка, пароперегреватель и др.), которые должны обеспечивать заданную паропроизводительность, давление, температуру пара на выходе из установки. При этом используется нормативный метод, в котором обобщены многочисленные результаты по исследованию теплообмена в различных элементах котла, характеристики топлива и приводятся все необходимые аналитические и графические зависимости, дается методика. Подобные методики реализуются при аэродинамическом, гидравлическом, прочностном и других расчетах.

Однако, полученные таким образом номинальные параметры предполагают наличие абсолютно точных исходных данных, которые положены в основу расчета и не учитывают того, что в реальных условиях разработки и эксплуатации котла исходные данные могут приобретать значения, отличные от принятых, что повлияет на его выходные параметры. Отклонения исходных данных определяются различными факторами, такими как допуски на изготовление элементов котла, эксплуатационные отклонения режимов и параметров работы, погрешности используемых в расчетах экспериментальных зависимостей, неточности расчета моделей и т.д. Очевидно, эти отклонения имеют статистическую природу и будут носить случайный характер, поэтому и результаты расчетов поверхностей нагрева и параметров котла также будут случайными.

По этой причине необходимо определять не только значения номинальных выходных параметров котла, но и законы их распределения или вероятность реализации.

В этом случае вероятность реализации данного параметра и есть теплотехническая надежность.

Представленная методика позволяет:

1. Дать научно обоснованную погрешность определения проектных параметров парового котла;

2. Задаваясь степенью надежности (соответствующей вероятности невыхода за заданный предел искомого параметра или поверхности), вести проектирование с определенным гарантированным запасом, обеспечивающим изменение данного параметра в допустимом проектном интервале;

3. Проанализировать существующие отклонения исходных данных и дать рекомендации по уменьшению «допусков» на те из них, которые вносят наибольший вклад в результирующее отклонение;

4. Проводить количественное сопоставление проектных результатов с данными промышленных испытаний агрегата.

Такой подход широко используется при разработке ядерных реакторов, что обусловлено необходимостью обеспечения высокой надежности этих наиболее дорогих и сложных элементов ядерных энергетических установок. Подобная постановка представляется целесообразной и при разработке паровых котлов на органическом топливе и других элементов теплоэнергетических систем, поскольку стоимость этих агрегатов тоже высока, а случайные отклонения параметров в нежелательную сторону могут заметно сказаться на эффективности и надежности их работы.

Расчет отклонений функций f от их номинальных значений можно проводить по принятой в ядерной технике вероятностной методике, по формуле [80, 81]:

чие закона распределения i-го и суммарного параметров от нормального закона;

i,, н – средние квадратичные отклонения i-го, суммарного и нормального распределений; ij – коэффициенты корреляции между случайными величинами xi и x j. Ввиду сложности их определения часто считают допустимым приблиxi x шены, т.е. выполнены «в запас». В настоящей методике принято ij 0, т.е. предполагается независимость случайных отклонений xi между собой.

Для определения результирующего отклонения f необходимо знать, помимо xi, законы их распределения, из которых можно определить i и Ki.

Функция f в рассматриваемом случае представляет собой многопараметрическую зависимость f f ( x1, x2, xi,..., xn ), отклонения параметров которой, имеют один порядок. При достаточно большом числе аргументов (n7-10) и независимых или слабозависимых xi справедлива центральная предельная теорема, из которой следует, что случайная величина f распределена асимптотически нормально, если в данном наборе отсутствуют доминирующие значения ная формула будет иметь вид [76]:

В соответствии с (1.24) последовательность выполнения расчетов отклонений сводится к следующему [76] (рисунок 1.9):

- по номинальным значениям (т.е. вероятность реализации которых составляет 50 %) параметров xi рассчитывается номинальное значение определяемого параметра f f ( x1, x2, xi,..., xn ), т.е. выполняется обычный тепловой расчет по (1.23);

Рисунок 1.9 – Алгоритм расчета отклонений параметров котлоагрегата - исходя из технических условий, задаются допустимой вероятностью отклонений f от номинального значения в худшую сторону;

- по законам распределения xi определяют значения Ki (для большинства имеющих техническое приложение законов есть справочные данные), отклонения xi берутся в соответствии с заданной вероятностью параметра f в сторону, которая ведет к «ухудшению» значения f ;

- по соотношению (1.24) проводится расчет абсолютной величины отклонения f от номинального значения;

- зная f и принятую вероятность отклонения, можно определить результирующее значение.

Сложность данной методики заключается в анализе отклонений xi, их законов распределений Ki, поскольку отсутствуют соответствующие исследования, требующие большого объема работ и специальных методик. В практике теплогидравлических расчетов ядерных реакторов расчет отклонений параметров по (1.23) или (1.24) используется с 60-х годов, имеются нормативные данные по отклонениям соответствующего набора исходных параметров xi и Ki. Часть из них возможно использовать для расчета котлоагрегатов [76].

Изложенная инженерная методика может рассматриваться как дополнение к нормативному методу и является его развитием.

На основании выполненного литературного обзора можно сделать следующие выводы:

1. Энергетическая отрасль производства характеризуется высоким, непрерывно растущим уровнем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу;

2. Существует значительное количество способов снижения вредных выбросов, отличающихся друг от друга, как по экологической эффективности, так и по технологической направленности;

3. К общим недостаткам всех существующих способов снижения вредных выбросов от котельных установок ТЭС можно отнести их достаточную сложность в технологическом плане и высокие капитальные затраты на реализацию;

4. Технико-экономическое обоснование существующих способов снижения вредных выбросов заслуживает пристального внимания, т.к. в современных экономических условиях разработано значительное количество способов оценки и нормирования выбросов вредных веществ от котельных установок ТЭС, различных по эффективности и технологической сущности. При этом главным их недостатком является отсутствие единого, однонаправленного подхода к оценке.

С учетом выводов, представленных выше, в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать комплексную методику для оценки влияния экологических мероприятий на надежность работы энергетических котлов ТЭС в целом и их отдельных элементов в частности;