CC BY
13
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА
Том 283 1974
ДЕГРАДАЦИЯ ТРАДИЦИОННОГО ПАРОТУРБИННОГО ЦИКЛА-ОСНОВНАЯ ТЕНДЕНЦИЯ РАЗВИТИЯ МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
С. В. ПОЛОЖИЙ
(Представлена научным семинаром кафедры ТЭУ)
Развитие современной энергетики базируется на использовании традиционного паросилового цикла I и II областей: традиционного цикла I области в установках с органическим топливом небольшой мощности, в маневренных энергоблоках и в мощных базовых АЭС; традиционного цикла II области в мощных блочных базовых ТЭС СВД и СКД. Паротурбинные ТЭС с традиционным циклом I области до сверхвысоких параметров пара обладают низкой тепловой экономичностью, высокими расчетными затратами на производство электрической энергии, но имеют простое энергетическое оборудование и высокую маневренность, хорошо отвечают требованиям переменного режима работы энергосистем. Паротурбинные ТЭС с традиционным циклом II области обладают высокой тепловой экономичностью в базовом режиме и низкими расчетными затратами, сложным энергетическим оборудованием, являются неманевренными и не соответствуют условиям работы ЭЭС в переменной части графиков нагрузки.
Развитие энергетики в прошлом, на современном этапе и в перспективе всецело определяется объективными свойствами и закономерностями традиционного цикла I и II области, раскрытие и исследование которых подводит теоретическую базу технического прогресса в энергетике, позволяет правильно оценить современное состояние и перспективы развития блочных ТЭС, вскрыть причины ошибочных решений и прогнозирования в энергетике, деградацию традиционного цикла I области в прошлом и II области в перспективе. Развитие энергетики на всех этапах, особенно с традиционным циклом II области, характеризуется явно выраженным эмпиризмом, без глубоких теоретических основ в развитии традиционного цикла, знания объективных закономерностей его развития.
Эмпиризм в развитии энергетики выражается в допущении ошибочных технических решений в строительстве блочных ТЭС, в необоснованных прогнозах технического прогресса в энергетике в прошлом на настоящее время и в настоящее время на будущее. Невыявленность многих проблем в развитии блочных ТЭС с традиционным циклом II области, внедрение блоков с неоптимальными и технически неприемлемыми начальными параметрами пара, строительство только базовых ТЭС без учета перехода их в переменную часть графиков нагрузки ЭЭС так^
же являются результатом эмпирического подхода в развитии энергетики. Этим объясняется непредвидение фактических результатов от внедрения блочных ТЭС в энергетику таких, как повышение удельных расходов топлива и расчетных затрат на производство электроэнергии от внедрения и хорошего освоения блочных ТЭС вместо их снижения от внедрения такой новой техники (США, Англия).
В 50-х годах на 70-е годы прогнозировалось использование мощных ТЭС на 400—500 ата, 700—750° С с низким теоретическим удельным расходом топлива и высокой эффективностью развития энергетики. В соответствии с такими прогнозами в США в начале пятидесятых годов приступили к строительству и эксплуатации мощных блоков на практически недопустимые высокие параметры пара до 350 ата, 650° С. Объективные условия и возможности традиционного цикла II области привели к установлению на практике предельных начальных параметров пара и тепловой экономичности мощных блочных ТЭС на значительно более низком уровне, не превышающем 240 ата, 540—560° С как технически выполнимых, экономически целесообразных и эксплуатационно приемлемо надежных для условий работы таких блоков в базовом режиме при высоком числе часов использования установленной мощности. Дальнейшее развитие блоков привело к утверждению мирового стандарта на начальные параметры пара в 240 ата, 540° С в энергетике.
Энергетики мира за прошедшие 15—20 лет убедились в низких предельных возможностях традиционных блоков в повышении тепловой экономичности даже при базовых условиях их эксплуатации и окончательно отказались от первоначальных технических решений и прогнозов как не отвечающих реальным возможностям традиционного цикла. Фактические сроки освоения блоков с традиционным циклом II области оказались непредвиденно очень высокими или вообще не удалось реализовать проектных показателей блоков сверхбарьерной (540—560° С) температуры пара. Не предвиделись также исключительно высокая степень новизны блоков СКД, многие новые проблемы и трудности освоения блочных ТЭС, а также неэффективная работа блоков в течение многих лет, большая аварийность и расчетные затраты на производство электрической энергии. Возникла неопределенность в сроках освоения, в надежности работы блоков, в достижении проектных показателей их работы. Происходило нарушение всех расчетных, теоретических и плановых показателей их работы от технического прогресса в энергетике. Преодоление этого периода освоения и эксплуатации блочных ТЭС принесло большой ущерб развитию энергетики во многих странах мира. Все это также не рассматривалось как объективная закономерность развития традиционного цикла II области.
В мировой энергетике отсутствуют понятие деления традиционного цикла на первую и вторую область, исследования свойств и закономерностей традиционного цикла и неизбежной деградации традиционного цикла II области в развитых странах мира в будущих энергосистемах. Современный этап развития мировой энергетики характеризуется необоснованностью прогнозов развития энергетики будущего, невыявленностью окончательной деградации традиционного цикла II области — непрерывностью повышения удельных расходов топлива и расчетных затрат на производство электрической энергии в ЭЭС развитых странах мира, связанных с массовым переходом ТЭС в переменную часть нагрузки энергосистем.
На прошлом этапе разития блочных ТЭС и в настоящее время уже заложены условия неэффективной работы будущих энергосистем благодаря строительству только мощных блочных ТЭС базисного режима,
массового внедрения таких блоков, несовместимости их свойств с требованиями переменного режима работы ЭЭС, технической непригодности и технико-экономической нецелесообразности использования базовых блоков в переменной части графиков нагрузки энергосистем, а также необходимости одновременного развития и ввода неэкономичных, но более дешевых специальных пиковых и полупиковых ТЭС с одновременным переводам базовых блоков в переменную часть графиков нагрузки ЭЭС.
Деградация традиционного цикла II области при хорошем освоении блочных ТЭС особенно наглядно проявляется за последние 8—10 лет в энергетике США. Она выражается в непрерывном повышении удельного расхода топлива в ЭЭС США за последнее десятилетие по сравнению с расходом топлива в 1963 году. Фактический удельный расход топлива в США возрос в 1970 году за этот период на 6—7% (рис. 1) в связи с массовым переходом на блочные ТЭС и хорошим освоением таких блоков. Уже в ближайшей перспективе повышение удельных расходов топлива в энергетике США достигнет максимальных значений, когда блочные ТЭС полностью перейдут в переменную ч асть гр афиков нагрузки в связи с развитием атомных электростанций базового назначения.
Работа базовых блоков в полупиковой и пиковой части графиков нагрузки ЭЭС резко
ш
390
ДМ зев 290
13
** - ' •я ~2>Ш
л & 0 . — И
Л'л б1 и
Т "V г- -
/Ш 63 67 69 7/ 73 73 77 79 в/ тз
Рис. 1. Динамика повышения удельного расхода топлива в связи с деградацией традиционного цикла II области в энергетике США. А — рекордный уровень минимального расхода топлива в энергетике США; А, В, С — начало деградации традиционного цикла II области, возрастание удельного расхода топлива в стране, понижение эффективности использования блочных ТЭС с улучшением надежности и экономичности работы блоков в базовом режиме; С, Д — дальнейшая деградация традиционного цикла II области в будущих энергосистемах: Д, Д*, Д" — возможные ситуации развития энергетики США будущего по прогнозам ТПИ в связи с деградацией традиционного цикла; Д — максимальное развитие АЭС, значительная мощность маневренных ТЭС низкой тепловой экономичности, большая доля работы блочных ТЭС в переменной части графиков нагрузки ЭЭС, невысокий или нормальный резерв мощности в энергосистемах; Дп — низкая доля АЭС в энергосистемах, невысокая доля пиковых и ма-невременных ТЭС в ЭЭС, большие резервы мощности, менее значительное разуплотнение графиков нагрузки в ЭЭС; А', Е,Р, К — прогнозируемый удельный расход топлива в энергетике США от перехода энергетики на мощные высокоэкономичные блоки в будущих ЭЭС США без представления о деградации традиционного цикла II области; А, В, С — фактическая экономичность энергетики США от перехода на мощные блоки ОВД и СКД и хорошего их освоения, обусловленная деградацией традиционного цикла II области; ВВГ — превышение фактического удельного расхода топлива в США в 1967 году; ССГ — то же в 1969 году; ВЕ, С^ — превышение удельного расхода топлива в 1967 и 1969 гг.. относительно прогнозируемого от внедрения блочных ТЭС в США
повышает удельный расход
топлива с 330—340 до 400—420 г/квтч. Использование для этой цели специальных полупиковых паротурбинных ТЭС или ГТУ приводит к еще более резкому повышению удельного расхода топлива до 450—500 г/квтч (рис. 2). Однако расчетные затраты на производство электрической энергии специальных полупиковых ТЭС и ГТУ имеют меньшую величину, чем при работе базисных блоков в полупиковом режиме (рис. 3). Производство электрической энергии в остропиковом режиме связано с
еще более высокими удельными расходами топлива порядка 550— 600 г/квтч. Внедрение специальных маневренных ТЭС низкой тепловой экономичности оказывается более выгодным по расчетным затратам, чем работа блоков базисного назначения в переменной части графиков нагрузки, но, главное, такие маневренные ТЭС низкой тепловой экономичности обеспечивают техническое решение проблемы переменного режима работы ЭЭС ввиду непригодности блочных базисных ТЭС для этих целей.
В ФРГ уже в настоящее время вынуждены отказаться от строительства мощных блочных ТЭС СКД базисного режима и перейти к производству маневренных блоков на пониженные параметры и низкую тепло-
Рис. 2. Повышение удельного расхода Рис. 3. Повышение удельных расчет-топлива энергетическими установка- ных затрат на производство электри-ми при переходе теплоэнергетики в ческой энергии при переходе тепло-переменную часть графиков нагрузки энергетики в переменную часть гра-энергосистем. 1. Число часов исполь- фиков нагрузки энергосистем, зования установленной мощности. I. Удельные расчетные затраты па Блоки К-200, К-300, К-500 и ГТ-750 производство электрической энергии, по данным СЭИ СО АН ССОР и Гос- коп/квтч; 2. Число часов использова-комитета по науке и технике при СМ пия установленной мощности, ч/год. СССР [3]. Блоки АФ-500 по данным Блоки К-200, К-300, К-500 и ГТ-750 ТПИ по данным СЭИ СО АН СССР и Гос-
комитета по науке и технике СМ СССР [3]
вую экономичность. В США в ближайшей перспективе базисные блочные ТЭС СКД будут вытеснены в переменную часть графиков нагрузки с высокими удельными расходами топлива и расчетными затратами на производство электрической энергии (рис. 4,5). Такая перспектива раз- 9
вития энергетики с традиционным циклом не осознана в мировой практике. Продолжается непрерывное наращивание энергетики мощными базисными ТЭС без учета перехода таких блоков в переменный режим работы, не пригодный для этих блоков ни по техническим, ни по технико-экономическим причинам. По-прежнему прогнозируются параметры 240 ата, 540/540° С на далекую перспективу, когда блочные ТЭС будут использоваться с небольшим числом часов работы в год. Тепловая экономичность таких блоков для условий переменного режима излишне за-
вышена, неприемлемо высоки капиталовложения для условий их работы в будущих ЭЭС.
Ущерб, который может быть нанесен энергетике будущего от непредвидения объективных закономерностей традиционного цикла II области, окажется более значительным, чем это имело место в прошлом от трудностей освоения блочных ТЭС в базисном режиме с традиционным циклом. Существенно возрастут удельные расходы топлива и особенно расчетные затраты на производство электрической энергии по сравнению с современным уровнем уже освоенных блочных ТЭС (США, ФРГ) и тем более с прогнозируемым эффектом технического прогресса в энергетике, на основании которого осуществляется развитие будущих ЭЭС. Такой прямо противоположный результат от технического прогресса в энергетике с традиционным циклом II области в ЭЭС будущего также окажет -
¿962 6* 66 60 70 72 197*
5
мог
/962 66 69 70 72 1974 г 7
Рис. 4. Динамика снижения температуры острого пара и пара промперегрева (1962— 1975 гг.) в связи с деградацией традиционного цикла II области в энергетике США. 1 — острый пар; 2 — первый промпере-грев; 3 — второй промперегрев; 4 — нет второго промперегрева пара; 5 — годы ввода в эксплу-
тср
атацию. —средняя температура острого пара в энергетике США, °С. Тдд — средняя температура первого промпере-грева, °С Твпп — средняя температура второго промперегрева пара, °С
Рис. 5. Динамика изменения начального давления пара и структуры генерирующих мощностей в связи с деградацией традиционного цикла II области в энергетике США. 1—4. Базисные блоки: 1 —менее 126 ата; ■2— 126—146 ата; 3 — 152—184 ата; 4 — 235— 264 ата. 5—6. Маневренные блоки: 5—152— 184 ата; 6—126—148 ата. 7. Годы ввода в эксплуатацию
ся неожиданным и является результатом эмпиризма в развитии блочных ТЭС, следствием неучета объективных закономерностей развития традиционного цикла II области. В этом состоит сущность развития энергетики с традиционным циклом II области (рис. 6).
Теоретические исследования традиционного цикла, его свойств и закономерностей, установление неизбежной деградации традиционного цикла II области как закона развития мировой энергетики, проведенные и 'выявленные в Томском политехническом институте при постановке и решении проблемы перевода энергетики на адиабатическое фазообразо-
ЛФ-ЯОат
* 244 яг
то !Ш /980 ¿М №5 (910
Рис. 6. Схема объективного развития мировой теплоэнергетики в связи с деградацией fpaдициoннoгo цикла II области. 1. Уровень технического прогресса мировой энергетики. 2. Годы развития энергетики. I—II. Восходящий период развития энергетики с Традиционным циклом. Л — А/ — Л" — этапы развития энергетики с традиционным циклом I области. А—В— начальный период развития энергетики с традиционным циклом II области. А"—Пор—переход на неосваиваемые и технико-экономически нецелесообразные мощные блоки в США. Пор—П — отказ от ошибочного решения и переход на оптимальные блоки с пониженными параметрами пара в США. II—С — предельные параметры блоков, установление мирового стандарта предельных параметров пара мощных блоков с традиционным циклом II области. С—Шоп — ошибочный прогноз 60-х годов на 80-90-е годы со стабилизацией современных предельных параметров пара в 240 ата, 540/540° С в будущей энергетике. В — III лп —ложный прогноз первого периода на 70-е годы по использованию очень высоких параметров пара в энергетике. С — III — нисходящий период развития энергетики в будущих энергосистемах с традиционным циклом II области. ВС — период стабилизации и начало снижения технико-экономической эффективности энергетики США с традиционным циклом II области. С—III — деградация традиционного цикла II области в ЭЭС будущего, массовый или 100%-ный переход паротурбинных ТЭС в переменную часть графиков на- *
грузки ЭЭС, массовое внедрение пиковых и полупиковых ТЭС с высокими удельными расходами топлива и большими (расчетными затратами на производство электрической энергии: снижение — Ро, ¿о, ¿пп. УоЬ ^ку; отказ от ПВД, газового ВП; повышение— * ух» Зцр. IV — перевод энергетики на адиабатическое фазообразо- • вание. С — IV — прогресс в теплоэнергетике при пер!воде ТЭС на адиабатическое фа-зообразование. Л—-Л'— Л" — В—повышение — Р0, ^ t пп, га. ЪоЬ г1ку* снижение — *ух. Як. ЬТ, 3Пр. С — достижение самой высокой степени совершенства паротурбинных установок с традиционным циклом II области, термодинамического цикла и тепловых схем, минимальных расчетных затрат, удельных расходов топлива и удельных капиталовложений в строительство ТЭС
Ьание, получают за последние годы блестящее подтверждение в развитии энергетики США. Деградация традиционного цикла II области в энергетике США происходит за последнее десятилетие в соответствии с несовместимостью свойств и закономерностей традиционного цикла II области с условиями и требованиями энергосистем на современном и будущем этапах развития мировой энергетики. Эта деградация традиционного цикла II области ■ характеризуется следующими обстоятельствами:
1. Непрерывным повышением удельных расходов топлива за последние 7—8 лет в ЭЭС США по мере технического совершенствования энергетических блоков. Через пять-десять лет надо ожидать дальнейшего значительного возрастания удельных расходов топлива в ЭЭС США (рис. I).
2. Возрастанием расчетных затрат на производство электрической энергии на отдельных базисных ТЭС ввиду перехода их в переменную часть графиков нагрузки энергосистем и массовой эксплуатации специальных маневренных ТЭС в пиковой и полупиковой нагрузке [2—6].
3. Сокращением строительства высокоэкономичных базовых ТЭС СКД в энергетике США (рис. 5), переходом на строительство неэкономичных маневренных ТЭС пониженных параметров пара и температуры питательной воды с упрощенными котлами и турбинами и другими мероприятиями, направленными на удешевление ТЭС и на повышение их маневренности.
Ни одна отрасль мирового производства в период технической революции, интенсивного развития производительных сил, науки и техники не сопровождается в перспективе ухудшением технико-экономических показателей, повышением расчетных затрат, как это наблюдается в развитии теплоэнергетики с традиционным циклом II области. Это противоречит общему прогрессу и требует устранения как ненормального явления в развитии производительных сил общества.
Вопросам развития энергетики, прогнозирования и ее тенденциям уделяется в последние годы все возрастающее внимание во всех развитых странах мира, и особенно в США [14—18]. При этом изыскивают и оптимизируют производство электрической энергии в будущих энергосистемах на базе традиционных энергетических установок в условиях развития мощных базисных АЭС, перехода блочных ТЭС СВД и СКД в переменную часть графиков нагрузки энергосистем и массового внедрения ГТУ для пиковой нагрузки без глобальных выводов о полной деградации традиционного паротурбинного цикла II области в недалекой перспективе (рис. 6).
В энергетике США в настоящее время наблюдаются интенсивная перестройка и изменения в структуре генерирующих мощностей и в технических характеристиках паротурбинных ТЭС в соответствии с условиями и требованиями развивающихся энергосистем на современном и перспективном этапах [1—3, 17, 18].
В отечественной энергетике применительно к ЕЕЭС решение задачи оптимизации генерирующих мощностей и покрытия переменной части графика нагрузки энергосистем является главной проблемой исключительной важности [4—6].
Единственным пока известным способом преодоления деградации традиционного цикла II области, регресса теплоэнергетики в перспективе является перевод ее на адиабатическое фазообразование [7—13].
ЛИТЕРАТУРА
1. А. А. Бесчинский, К. Д. Лаврененко. Уровень производства и перспективы развития мировой энергетики. VIII Мировой конгресс энергетиков. «Теплоэнергетика», 1972, № 1.
2. В. Я- В о л ь ф к о в и ч. Некоторые техпико-эксиомические вопросы развития энергоснабжения в США. «Энергохозяйство за рубежом», 1971, № 2.
3. М. А. С т ы р и к о в и ч, Л. С. П о п ы р и н. Зарубежный опыт применения паротурбинных электростанций для покрытия пиковой и полупиковой части графиков нагрузки электроэнергетических систем. «Теплоэнергетика», 1971, № 3.
4. Л. А. Мелептьев, К. Д. Л а в р с н е и к о. О выборе эффективного оборудования в переменной части графиков нагрузки электроэнергетических систем. «Теплоэнергетика», 1971, № 3.
5. С. С. Р о к о т я н, И. М. В о л ь к е п а у, Е. А. Волков. Требования энергосистем к маневренности оборудования. «Теплоэнергетика», 1971, № 3.
6. Н. С. Чериицкий, Е. P. II л о т к и н, А. Ш. Лайзерович. Технико-экономические показатели электростанций для переменного режима работы. «Теплоэнергетика», 1971, № 3.
7. С. В. П о л о ж и й. Основы научно-технического прогнозирования в теплоэнергетике. Прогнозирование паротурбинных установок с адиабатическим фазообразовапием. Информ. бюллетень ТПИ, № 3, 1969. Гос. регистр. № 70002202, М., 1970.
8. С. В. П о л о ж и й. Паросиловые установки с адиабатическим парообразованием. Изв. вузов СССР, «Энергетика», 1965, Kb 1.
9. С. В. П о л о ж и й. Изв. ТПИ, том 150, Томск, 1968.
10. С. В. П о л о ж и й. Обзор исследований ТПИ по паротурбинным установкам с , адиабатическим фазообразовапием. Вопросы перевода ТЭС на адиабатическое фа-зообразование. Информ. бюллетень ТПИ по ПТУ АФ, 1970. Гос. регистр. № 70013070, М, 1970.
11. С. В. П о л о ж и й. Трудности развития паротурбинных установок — результат использования современного паросилового цикла, его противоречий и недостатков. Сб. статей 1 научи, техн. конференции по теплообмену и сжиганию. Красноярск, 1970.
12. С. В. П о л о ж и й. Перевод ТЭС на адиабатическое фазообразование — средство повышения эффективности теплоэнергетики. Сб. «Ускорение техн. прогресса — путь к повышению эффективности производства». Томск, 1970.
13. С. В. Положий. Еще раз к вопросу о применении адиабатического фазо-образования в паротурбинных установках. Изв. ТПИ, том 205. Томск, 1972.
14. Power Engineering, 1970, № 3.
15. Electrical World, 1971, т. 175, № 1, т. 176, № 9; 1972, т. 177, № 6.
16. Power, 1970, т. 114, № 10; 1971, т. 115, №11.
17. В. Я. Вольфкович. Некоторые технико-экономические вопросы развития энергетики в США. «Энергохозяйство за рубежом», 1971, № 2.
18. И. Е. Семеновкер, И. Н. Розен гауз. Ввод новых блоков на ТЭС США в 1971—75 гг. «Энергохозяйство за рубежом», 1972, № 5.
