А.П.Бурдуков, д.т.н., Е.Н.Бондарчук, П.А.Мищенко, Н.П.Смирнов, В.И.Попов, д.т.н., Г.В.Чернова, к.т.н. (Институт теплофизики СО РАН); В.Н. Чурашев, к.э.н. (Институт Экономики и организации промышленного производства СО РАН Результаты НИОКР в области энергетических технологий, полученные в институте Теплофизики СО РАН и их технико-экономические обоснования, сделанные в Институте Экономики СО РАН, позволяют предложить для внедрения в энергетике Новосибирской области ряд новых энергоэффективных технологий с коротким инвестиционным циклом. Оборудование энергопредприятий Новосибирской области имеет высокую степень износа. Так, огромные по размеру основные производственные средства в электроэнергетике имеют степень износа, равную 70,3 % и очень низкий коэффициент обновления, равный 1,1. Централизованное теплоснабжение на базе тепловых электростанций ОАО «Новосибирскэнерго» составляет чуть менее половины от общего производства тепловой энергии в области и наблюдаются циклические колебания по годам. Остальное теплоснабжение осуществляется приблизительно от 1500 котельных различной принадлежности, более 70% котельного оборудования которых также имеет срок службы, превышающий нормативный и нуждается либо в замене, либо в реконструкции и модернизации. Другим проблемным вопросом в теплоснабжении являются мазутные котельные области, которых насчитывается порядка 55-ти штук. При дефицитном и дорогом мазутном топливе, цена которого в среднем в 2,5 раза выше цены других топлив, и, соответственно, высоких тарифах вырабатываемой тепловой энергии, остро встает вопрос замещения мазута другими топливами. Основным топливным ресурсом в области является уголь. Учитывая государственную политику в топливообеспечении, в перспективе можно ожидать активный переход на уголь (около 70%). Доля использования мазута упала приблизительно до 3% и он практически используется только на котельных, а на ТЭС поджиг и подсветка осуществляется газом. Альтернативным мазуту топливом является газ. В настоящее время топливная политика, осуществляемая администрацией Новосибирской области и энергокомпаниями области, направлена на более широкое использование газа. Однако надо иметь в виду, что газ становится дорогим топливом, а уголь является более доступным топливом. Так, для ОАО «Новосибирскэнерго» в 2005 г. в среднем соотношение стоимости газ/уголь находится уже на уровне 1,2 (35 долл./тут против 29 долл./тут) и энергопредприятие увеличивает долю использования угля. Цена газа в дальнейшем будет увеличиваться и может ежегодно повышаться ~ на 20%. Таким образом, теплоэнергетика Новосибирской области в основном использует, и будет использовать уголь — более экологически грязное топливо. Острой является проблема его качества, создающая ряд технологических проблем. Поступление одновременно углей различных шахт, разрезов и обогатительных фабрик с меняющимися во времени пропорциями, что характерно для всех энергопредприятий, приводит к ненадежной и неэкономичной работе котлов, возрастанию потерь тепла с механическим недожогом и повышенным экологическим выбросам. Промышленный опыт эксплуатации промышленных энергетических котлов серии ТП-80, БКЗ-420 показывает, что только из-за изменения качества угля дополнительно ежегодно увеличивается число вынужденных остановов на 1-2, а энергозатраты на собственные нужды возрастают на 2-3 %. Пока штрафы за выбросы будут составлять незначительную долю в стоимости энергии, созданию и применению систем управления горением и системам очистки от вредных выбросов не будет уделяться должного внимания. Существенное увеличение плат за выбросы приведет к увеличению заинтересованности в установлении систем управления горением и систем очистки. Технологическое и техническое состояние предприятий теплоэнергетики Новосибирской области для обеспечения современных оптимальных технических и экономических решений наряду с вводом нового оборудования постоянно нуждается в модернизации и реконструкции существующего оборудования. Проблемы, связанные с использованием угля, повышением степени очистки и обеспечением оптимальных систем сжигания наряду с другими проблемами теплоэнергетики требуют современных эффективных технико-экономических решений. Решения должны быть направлены на более эффективное по экономическим и экологическим соображениям сжигание угля в преобразованном виде или в комбинации с другими ресурсами, увеличение к.п.д. котельного оборудования или снижение удельных расходов топлива на выработку преобразованной энергии за счет управления процессами горения, повышение степени очистки дымовых газов. Т.к. Новосибирская область не сырьевая, а, следовательно, всегда испытывает, и всегда будет испытывать дефицит финансовых ресурсов для энергетики, то приоритеты при модернизации и реконструкции должны быть отданы энергоэффективным малозатратным проектам с коротким инвестиционным циклом. В Институте Теплофизики Сибирского отделения Российской Академии наук накоплен научно-технический потенциал, который может и должен быть привлечен для реконструкции и модернизации ряда теплоэнергетических предприятий области. В результате многолетних НИОКР получены положительные результаты по ряду энергетических технологий, которые подтверждены в опытно-промышленной или промышленной эксплуатации на некоторых энергетических предприятиях, в т.ч. в Новосибирской области, или прошли стадию лабораторных исследований и нуждаются в дополнительных проверках на стадии опытно-промышленной эксплуатации на объектах энергетики. При наличии инвестора и создании благоприятных условий для освоения эти технологии могли бы найти широкое применение. Стадию НИОКР в части опытно-промышленного эксперимента научные учреждения не могут закончить (отсутствуют необходимые материальные и финансовые средства), а промышленные предприятия, во-первых, для опытно-промышленного эксперимента не могут прервать свой производственный процесс, во-вторых, не хотят брать на себя риски по вкладываемым средствам. Поэтому для заключительной стадии НИОКР должна осуществляться государственная поддержка.
Использование угля ультратонкого помола (15-30 мкм) в теплоэнергетике.
Основная цель разрабатываемой технологии — заменить дорогой и дефицитный мазут, традиционно используемый для розжига и стабилизации горения пылеугольного факела на угольных котлах ТЭС, а также заменить жидкое топливо на котельных. Патент на сжигание угля ультрадисперсного помола получен в 2002 г. Подавляющее большинство областей использования углей связано с измельчением, уровень которого определяется видом химико-технологической переработки. Показано, что с увеличением тонкости и величины удельной поверхности DS возрастает поверхностная энергия DGпов = sDSпов, где s — удельная поверхностная энергия. Однако, при измельчении ниже нескольких микрон, т.н. начинают проявлять особые свойства, резко отличающие их от тех же углей, но большей крупности. Для целей ультратонкого измельчения широко распространены вибрационные мельницы, виброцентробежные, дезинтеграторы, разработанные и выпускаемые в России. Виброцентробежные мельницы класса ВЦМ, разработанные в ИХТТМ СО РАН и запатентованные, могут быть использованы для этих целей. Диапазон производительности от 100 кг/час до 5 т/час, энергозатраты до 15-20 кВтч/т. Они позволяют регулировать ударно-истирающий режим обработки и создавать нужную степень тонкости и структурной измененности минеральных веществ. В мировой практике уже накоплен некоторый опыт по применению ультратонкого помола в энергетике, как экономичного по цене топлива для замены газа и мазута в объектах промэнергетики (США, Германия, Китай). Существует положительный опыт работ США на блоке 600 МВт в Nord Carolina по запуску котла с использованием углей ультратонкого помола. Уголь ультратонкого помола использовался при розжиге котлов также фирмой Steinmuller (Германия), для чего была разработана специальная растопочная горелка. Результаты положительные. Экспериментальные исследования для углей различной степени метаморфизма и различного фракционного состава, проводимые с 2000г. в Институте Теплофизики СО РАН на экспериментальном теплоэнергетическом стенде показали, что уголь при ультратонком помоле до 15-30 мкм приобретает высокореакционные свойства, аналогичные мазуту и становится его альтернативой. Стенд мощностью до 1000 кВт оборудован системами подготовки угля ультратонкого помола (мельница), сжигания (предтопок и топочное устройство), системой плазменного и газового старта для розжига и подсветки, управления горением (автоматизированный пост контроля горения) и очистки (вихревой скруббер). Полученные результаты экспериментов используются для определения параметров технологических узлов систем розжига и подсветки пылеугольных котлов, замещения топлива в газо-мазутных котлах. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований привели к выводу о технико-экономической эффективности применения угля ультратонкого помола в качестве новой безмазутной технологии розжига и стабилизации горения на угольных котлах тепловых электростанций, а также для замены жидкого топлива на котельных. Основными технологическими узлами новой технологии являются: устройства ультратонкого помола (мельницы) и дополнительное оборудование подвода и сжигания угля. Разработаны технические предложения на дополнительное оборудование, необходимое для внедрения новой технологии (муфельный предтопок, узлы ввода угольной пыли, разгонное устройство исходной топливной смеси, разгрузитель-отвеиватель топливной крупки, бункер-накопитель крупки и др.). Заводы-изготовители для выпуска дополнительного оборудования существуют (ОАО , Бийский котельный завод, Новосибирские машиностроительные заводы и др.) Новая технология является малозатратной и с коротким инвестиционным циклом со сроком окупаемости не более 2-3 лет; дополнительные материальные затраты на ультратонкий помол угля (мельница), а также на дополнительное оборудование окупаются в короткие сроки благодаря экономии по топливной составляющей. Новая безмазутная технология должна пройти завершающую стадию НИОКР — опытно-промышленную эксплуатацию. Это позволит оценить риски новой технологии, и если потребуется, то и доработать технологию и затем более надежно обосновать стратегию коммерциализации для потенциального инвестора.
Применение ультратонкого помола угля на угольных тепловых станциях при розжиге и подсветке.
Подготовлен первый промышленный эксперимент применения ультратонкого помола отощенных углей юга Кузнецкого бассейна с низким выходом летучих на горючую массу (10%), но высокой калорийностью (5324 ккал/кг). Эксперимент осуществляется на котле БКЗ 210-140Ф Барнаульской ТЭЦ-2 в комбинации с плазмотронами. Система ПРП представляет собой комплект в 2 раза меньшей мощности по сравнению со стандартной системой для таких углей — вариант на 100 кВт (2 плазмотрона мощностью по 50 кВТ, двухпостовой источник питания мощностью 100 кВт). Для ультратонкого помола используется система, состоящая из 2-х трехсекционных мельниц ВЦМ 30К производительностью 1,5 т/час с питателями, выпускаемых в ПК «Механохимия. Удельные энергозатраты 15кВтч/т. Технико-экономические расчеты, проведенные в ценах конца 2004 г., ставках налогов и кредита (цена мазута- 2900 руб./т.н.т., угля — 495 руб./т.н.т., стоимость 1-й мельницы — 265 тыс. руб., стоимость узла подвода угля и сжигания — 500 тыс.руб., годовая ставка дисконта 0,1, процент на кредит банка 0,2, налог в валовой прибыли 0,06, налог на прибыль 0,2, стоимость электроэнергии на собственные нужды 0,7 руб./кВтч) позволяют считать применение этой технологии коммерчески привлекательной. Срок возврата инвестиций Проекта, даже при его финансировании полностью за счет заемных средств, составляет 1,9 лет. При принятых исходных данных за 10 лет эксплуатации удается обеспечить благоприятные значения показателей эффективности Проекта: чистый дисконтированный доход — 4688 тыс.руб., индекс доходности (ИД) — 5,55, внутренняя норма доходности — 136%. Чувствительность проекта к изменению исходных параметров показывает, что экономически значимым параметром является только цена мазута. Остальные стоимостные показатели являются существенно менее значимыми. Анализ риска, проведенный с учетом пессимистических и оптимистических оценок годовой ставки дисконта, процента на банковский кредит, цены мазута и угля, стоимости мельниц и дополнительного оборудования показал, что рассматриваемая технология характеризуется очень низкой степенью неудачи и Проект может быть рекомендован для финансирования. Полученные результаты являются основанием для того, чтобы считать, что перевод котла БКЗ-210-140Ф на Барнаульской ТЭЦ-2 на систему розжига и стабилизации горения с ультратонким помолом угля является экономически привлекательным Проектом. Надо отметить, что впервые (1988 г.) в России в г. Новосибирске на ТЭЦ-2 начала осуществляться, но не получила должного развития система плазменного розжига и подсветки (вместо мазутной), в то время как эта технология была внедрена на ряде котлов России и зарубежья. В настоящее время эту технологию целесообразно расширить за счет комбинированного применения совместно с ультратонким помолом угля (аналогично технологии на Барнаульской ТЭЦ-2), что позволит повысить надежность розжига и подсветки при меньшей мощности плазменного оборудования.
Перевод мазутных котельных на сжигание угля ультратонкого помола
Актуальной задачей является дальнейший отказ от использования мазута на котельных. Безусловно, там, где это доступно, целесообразно переходить на использование газа. Где такой возможности нет, предлагается осуществлять перевод мазутных котельных на угольное топливо ультратонкого помола. Экономический эффект от перевода мазутных котельных на пылеугольное топливо будет обусловлен снижением стоимости топлива. Кроме того, от перевода котельных на пылеугольное топливо можно ожидать и экологический эффект за счет снижения выбросов оксидов серы, что, соответственно, приведет к снижению платы за выбросы. При переходе на угольное топливо должен быть решен вопрос и с золошлаковыми отходами, что для ряда действующих мазутных котельных может стать проблематичным. В первом приближении этот вопрос может быть решен путем вывоза золошлаковых отходов с территории котельной на близлежащие золоотвалы или другие промышленные площадки, что приведет к некоторому увеличению себестоимости отпущенного тепла. Таким образом, вопросы перевода мазутных котельных на угли ультратонкого помола технологически и организационно решаемы. Для принятия решения в каждом конкретном случае необходимо составление бизнес-плана с учетом обследования котельной и складывающейся экономической ситуации. В настоящее время на Бийском котельном заводе (ОАО «БиКЗ») ведутся подготовительные работы по крупномасштабному испытанию сжигания угля ультратонкого помола на промышленном газомазутном котле ДЕ-6,5ГМ.
Оценка эффективности
Энергоэффективность определялась сравнением затрат на мазутной котельной (текущие затраты) и затрат при переводе ее на сжигание угля ультратонкого помола (текущие и затраты на дополнительное оборудование). Для оценочных расчетов в качестве текущих затрат на мазутной котельной принимали стоимость мазута, на угольной котельной — стоимость угля и стоимость дополнительно затрачиваемой электроэнергии на ультратонкий помол. Кроме того, при переводе мазутной котельной на уголь ультратонкого помола необходима установка дополнительного оборудования для организации процесса сжигания угольной пыли. Дополнительные затраты на угольный склад и сушилку условно принимаем равными затратам на содержание мазутного хозяйства и подогрев мазута для сжигания (в расчетах не учитываем). Отметим, что разработанные устройства ультратонкого помола (мельницы, дезинтеграторы) могут применяться на котлах мощностью до 10 МВт.
Исходные условия и параметры:
· Число часов работы котлов и объем вырабатываемой тепловой энергии одинаков на мазутной и угольной котельной (Q маз = Q уг). К.п.д. мазутной и угольной котельной одинаковые. Расходы мазута и угля в условном топливе (т.у.т.) одинаковые. · Расчетные эквиваленты параметров котлов:
- котел 1 МВт (0,75 Гкал/час, 1,5 т пара/час)
- б) котел 5 Мвт (4 Гкал/час, 8 т пара/ час)
- котел 10 МВт (8 Гкал/час, 16 т пара/ час)
· Для котла 1 МВт и меньше устанавливается 1 мельница ВЦМ производительностью 300 кг н.т./час, для котла 5 МВт — мельница ВЦМ производительностью 1 т н.т./ час, для котла 10 Мвт — дезинтегратор производительностью 2 т.н.т/час. · Удельные энергозатраты на дополнительный ультратонкий помол угля: Новые энергоэффективные технологии для модернизации и реконструкции теплоэнергетики Новосибирской области а) мельница 300 кг/час — 12 кВтч/тн.т., дробилка — 3 кВтч/тн.т., питатель — 1 кВтч /тн.т., итого 16 кВтч/тн.т. б) мельница 1т/час 12 кВтч/тн.т., дробилка — 3 кВтч/тн.т., питатель — 1 кВтч /тн.т., итого 16 кВтч/тн.т. в) дезинтегратор 2 т/час 15 кВтч/тн.т., дробилка — 3 кВтч/тн.т., питатель — 1 кВтч /тн.т., итого 19 кВтч/тн.т. Необходимая для расчета исходная информация по мазутным котельным Новосибирской области (табл.5): число котельных, объемы расходуемого жидкого топлива определялись из статотчетности по формам , и за 2003 г. Стоимость топлива и электроэнергии принята по состоянию на 2005 г. Оценка эффективности производилась укрупненно, исходя из расчета эффективности перевода котла 5 МВт и тиражирования эффекта на все мазутные котельные. На основе сформированной информации и других экономических показателей (дисконт, ставка налога и т.д.) проведен расчет по оценке эффективности перевода мазутных котельных на уголь ультратонкого помола для пятилетнего периода реализации проекта. Обобщенная оценка экономической эффективности проекта приведены в табл. 6-8. Из приведенных данных видно, что в расчете на один котел мощностью 5 МВт ЧДД составит 3,8 млн.руб., ВНД — 327%, ИД — 5,5, дисконтированый срок окупаемости — 1,3 года. Проект является коммерчески привлекательным. Для оценки региональной эффективности принят возможный объем вытеснения мазута на малых котельных в Новосибирской области до 10 МВ равный 70 тыс. тн.т. Для переоборудования этих котельных на использование угля ультратонкого помола потребуется около 38 млн.руб., а величина чистого дисконтированного дохода может составить 170 млн. руб.
Применение автоматизированного стационарного поста контроля (АСПК) для непрерывного определения химического состава уходящих газов котлоагрегатов
Котлоагрегаты, введенные более десяти лет назад, как правило, удовлетворяют технологические потребности в теплоносителях, но их автоматика безнадежно морально и физически устарела, отсутствуют приборы контроля состава уходящих дымовых газов. Перерасход топлива и энергии на тягу и дутьё на отечественных котлах обусловлен следующими причинами:
- контроль правильности соотношения топливо-воздух в горелках ведётся с большой ошибкой по косвенным параметрам: давлению воздуха и газа (мазута), яркости факела, температуре воздуха, цвету пламени (дыма);
- неконтролируемые колебания качественного состава топлива, параметров воздуха, изменение нагрузки и присосов, состояние горелок;
- значительные неравномерности поля концентрации в сечении газоходов, что приводит к не представительности отбираемой на анализ пробы газов (ошибки измерения достигают 400%);
- использование режимных карт с завышенной подачей воздуха, что приводит к повышенным потерям тепла с уходящими газами, перерасходу топлива и электроэнергии на тягу и дутьё, т.к. потребляемая электродвигателями вентиляторов и дымососов мощность имеет кубическую зависимость от расхода.
Для эффективного и качественного сжигания топлива должно быть точно сбалансировано соотношение «топливо — воздух» , для чего требуется внедрение на тепловых станциях стационарных газоанализаторов, контролирующих состав уходящих газов. Недостаток воздуха при горении вызывает неполное сгорание и, как следствие, перерасход топлива. Избыток воздуха также приводит к перерасходу топлива на нагрев лишнего воздуха в составе уходящих газов. В обоих случаях сжигание топлива сопровождается повышенным выбросом в атмосферу высокотоксичных газов. На рисунке приведена зависимость содержания основных компонентов продуктов сгорания (О2, СО2, СО, NOx) и к.п.д. () котлоагрегата от коэффициента избытка воздуха ().Уменьшение коэффициента избытка воздуха, помимо снижения потерь теплоты с уходящими газами, является эффективным методом подавления образования оксидов азота. Это достигается только регулированием без удорожания технологического оборудования и усложнения конструкции горелочных устройств. Область экономически выгодного режима сжигания топлива, обеспечиваемого регулированием, выделена штриховкой. Путем простой регулировки соотношения топливо-воздух на котлах достигается экономия топлива равная до 2-4% и более. Штатной ситуацией работы ТЭС является изменение нагрузки, что сопровождается увеличением или уменьшением подачи топлива и фактически требует изменения параметров горения. В отсутствии возможности точного непрерывного контроля выходных параметров, персонал не в состоянии эффективно регулировать работу котла. С помощью переносных газоанализаторов настройка оптимальных параметров осуществляется лишь эпизодически и в интервале между измерениями (который, как правило, достаточно велик из-за трудоемкости процесса измерения, и составляет сутки и более), котел с большой долей вероятности будет работать в неоптимальном режиме. Включение в контур управления стационарного газоанализатора позволяет решить эту проблему, предоставляя возможность с необходимой частотой контролировать параметры в режиме реального времени и, как следствие, снизить до минимума интервал между выходом котла из оптимального режима работы и его восстановлением. Установка стационарного газоанализатора позволяет поддерживать работу котлоагрегатов в режиме, близком к оптимальному или с максимальным коэффициентом полезного действия, и как следствие, с минимальным (при прочих равных условиях) расходом топлива. Максимальному к.п.д. соответствуют определенные значения величин концентрации уходящих газов, для определения которых и используются газоанализаторы. Сотрудниками институтов теплофизики СО РАН и автоматики и электрометрии СО РАН разработан автоматизированный стационарный пост контроля (АСПК) для непрерывного определения химического состава уходящих газов объектов промтеплоэнергетики.
Диапазон измерения концентраций:
- СО — 2000 ppm
- СО2 — 20 % об.
- NO — 2000 ppm
- NO2 — 2000 ppm
- SO2 — 2000 ppm
- О2 — 21% об.
Принцип действия газоанализатора ПЭМ-2М основан на оптико-абсорбционном методе измерения поглощения инфракрасного излучения анализируемым газовым компонентом смеси. Селективность осуществляется за счёт использования узкополосных интерференционных фильтров. Используемый метод гарантирует высокую точность результатов измерений и длительный срок работы прибора без замены измерительных узлов и дополнительной калибровки. Из измерительного блока данные передаются в блок регистрации (персональный компьютер) через последовательный интерфейс. Результаты замеров обрабатываются и документируются. Программное обеспечение, работающее в среде WINDOWS, позволяет представлять данные в форме таблиц и графиков. Данные хранятся в архиве, есть возможность составления отчетов для экологических служб. Система имеет программу самодиагностики, позволяющая следить за работой комплекса и сигнализировать о состоянии основных узлов. При возникновении неисправности на экране монитора будет появляться сообщение о конкретной неисправности. Компьютер с программой может быть установлен в службе, которая занимается обслуживанием данного комплекса (у инженера АРМ).
Преимуществами АСПК являются:
- одновременное измерение концентрации газов СО, СО2, NO, NO2, SO2, О2
- выдача отчетности по выбросам вредных веществ с помощью системы сбора и обработки данных,