SUMMARIZED COMPARATIVE ASSESSMENT OF PERFORMANCE BOILER EQUIPMENT

Full Text

Введение В результате произошедших изменений в производственно-экономической сфере большая часть энергетического оборудования теплоэлектроцентралей и котельных функционирует в нерасчетных режимах работы, обусловленных снижением потребления тепловой энергии промышленными предприятиями и, как следствие, изменением соотношения между постоянной годовой нагрузкой - выработкой промышленного пара и сезонной тепловой нагрузкой - выработкой тепла на отопление [1-7]. Даже однотипное теплогенерирующее оборудование одинаковой тепловой мощности, установленное в одной производственно-отопительной котельной, при эксплуатации на одной и той же нагрузке отличается между собой параметрами, характеризующими эффективность производства тепловой энергии. Это обусловлено тем, что оборудование имеет различные периоды эксплуатации, состояние DOI: 10.17673/Vestnik.2016.02.25 141 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) А.Г. Салов, А.А. Гаврилова, Ю.В. Чиркова, Л.А. Сагитова поверхностей нагрева, количество и качество проведенных ремонтов, число часов наработки после последнего капитального ремонта. В связи с этим актуальной является задача выбора загрузки отдельных котельных агрегатов с учётом их фактического состояния. Для определения оптимальных режимов работы необходим анализ комплексной эффективности котельного оборудования. DEA методика Одним из широко применимых современных подходов к решению подобных задач является методика многокритериального оценивания DEA или «Анализ среды функционирования» в качестве инструмента для анализа сложных экономических и социальных систем [1], [8-20], разработанная А. Чарнесом, В. Купером и Е. Бэнкером в 70-80-х гг. прошлого столетия. Суть этого метода состоит в построении областей сравнительной эффективности по эмпирическим данным о функционировании различных объектов. Каждому объекту соответствует точка в многомерном пространстве G: «затраты-выпуск». Решения соответствующих оптимизационных задач линейного программирования дают коэффициенты эффективности, которые определяют сравнительную эффективность каждого объекта. Границу эффективности определяют объекты, показатель эффективности которых является максимальным. В методологии DEA показатель эффективности лежит в интервале (0;1] [1]. Метод DEA можно рассматривать как реализацию свертывания частных критериев эффективности в обобщенный показатель оптимальности [21-24]. Постановка задачи В качестве объекта исследования рассмотрен энергетический котел типа ТП-230 одной из теплоэлектроцентралей ПАО «Т Плюс». Котел ТП-230 работает на природном газе, имеет номинальную производительность 230 т/ч, эксплуатируется на протяжении более 60 лет [6]. Для определения обобщенного критерия эффективности был проведен анализ 50 показателей, характеризующих режим работы котла в диапазоне от минимальной нагрузки 117 до номинальной 230 т/ч, и из них выбраны в качестве частных критериев следующие восемь: 1) удельный расход топлива Gтопл; 2) удельный расход электроэнергии на тягу и дутье Этд; 3) температура уходящих газов tух.п.; 4) отклонение от оптимального значения разрежения в топке котла ΔPn; 5) содержание оксидов азота в продуктах сгорания ; 6) содержание оксидов углерода в продуктах сгорания ; 7) содержание диоксидов углерода в продуктах сгорания ; 8) КПД . Исходные данные по выбранным входным параметрам были получены экспериментальным путем в результате проведения испытаний. В общем виде экспериментальные данные соответствуют уравнению y = ax2 + bx +c, где a, b, c = const. Поведение полученных зависимостей соответствует физическим процессам, происходящим в котле при изменении нагрузки. Сформируем обобщённые критерии эффективности и проведем их анализ, используя в качестве входных параметров перечисленные частные критерии, группируя их по принадлежности к выходным характеристикам: экономичности, экологичности и технологичности. Анализ эффективности котла по обобщенному критерию экономичности В качестве локальных критериев для построения обобщенного критерия экономичности взяты КПД брутто котла, удельный расход топлива и удельный расход электроэнергии на тягу и дутье. Представим данный критерий в виде функционала [23]: (1) n=1, 2, …, N, где N - количество состояний объекта; ain и bjn - весовые коэффициенты. Система ограничений, определяющая область весовых коэффициентов G: . (2) Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) 142 ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ, ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И АГРЕГАТЫ На рис. 1 представлены результаты расчета обобщенного критерия экономичности fэкон , определенные с помощью метода DEA по формуле (1). Анализ показывает, что критерий fэкон находится в интервале от 0,713 до 1. Режимы, при которых fэкон <0,75, считаются неэффективными. Обобщенный критерий показывает, что при производительности до 139 т/ч эксплуатация котла по экономичности считается неэффективной. Для исследования причин, вызвавших снижение показателей, проанализируем весовые коэффициенты частных критериев, что позволит определить, какие из выбранных факторов оказали наибольшее влияние на исследуемый критерий. Достижение максимального значения показателя обобщенного критерия экономичности котла обусловлено более низким удельным расходом газа и меньшим удельным расходом электроэнергии на тягу и дутье. Для минимальных значений fэкон при производительности от 166 т/ч и выше значения весовых коэффициентов получились одинаковыми. Таким образом, на снижение обобщенного критерия экономичности повлияли высокие значения удельного расхода электроэнергии на тягу и дутье. Значение КПД котла в разных режимах различалось незначительно, поэтому не оказало существенного влияния на значение критерия fэкон. В результате анализа режимов работы котла мы можем сформулировать следующие направления экономичности его работы: • уменьшение удельного расхода электроэнергии на тягу и дутье; • понижение удельного расхода газа. Снижение удельного расхода электроэнергии на тягу и дутье можно достичь применением регулируемых приводов, например, используя гидромуфты или частотно-регулируемый привод. Сокращения расхода газа можно добиться путем совершенствования горелочных устройств, устранения неплотностей в обшивке котла и газоходов. Анализ эффективности обобщенного критерия технологичности Обобщенный критерий технологичности учитывает температуру уходящих газов и отклонение разрежения в топке котла от оптимального значения (20 кПа) и может быть сформирован следующим образом: (3) n=1, 2, …, N, где сjn - весовые коэффициенты. Система ограничений: (4) Результаты расчета показателя критерия, в соответствии с формулой (3), приведены на рис. 2. Анализ результатов показал, что технологическая эффективность во всем диапазоне нагрузок колеблется в интервале от 0,9 до 1, достигая наибольшего значения при нагрузках до 170 т/ч. Максимальное значение критерия технологичности наблюдается при нагрузке котла 161,8 и 167,5 т/ч как следствие минимального значения параметров: температуры уходящих газов и отклонения от оптимального значения разрежения в топке котла. Значительное снижение температуры уходя- Рис. 1. Значения обобщенного критерия экономичности котла . 143 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) А.Г. Салов, А.А. Гаврилова, Ю.В. Чиркова, Л.А. Сагитова щих газов может свидетельствовать о плохой герметичности котла и повышенных присосах, а рост разрежения в топке - о неудовлетворительной работе устройств, регулирующих работу дымососов. Анализируя весовые коэффициенты в процентном соотношении, определим, какие из технологических параметров оказали наибольшее влияние на обобщенный критерий технологичности. Перепад отклонения разрежения от оптимального параметра разрежения в топке котла имеет наибольший весовой коэффициент, равный 81,7 %, и, следовательно, оказывает максимальное влияние на обобщенный технологический критерий эффективности. Для решения данной проблемы необходимо осуществить ремонт обшивки газоходов котла, что снизит присос воздуха, и установить систему автоматизации, которая контролирует величину разрежения и регулирует соотношение топливо-воздух. Анализ эффективности котла по обобщенному критерию экологичности Обобщенный критерий экологичности примет вид: (5) n=1, 2, …, N, где djn - весовые коэффициенты. Система ограничений для функционала (5): (6) Исследование работы котельного оборудования по экологическим параметрам сводится к оценке величины вредных выбросов в атмосферу. Принятые для расчета входные параметры: содержание выбросов окиси углерода, двуокиси углерода и окислов азота в уходящих газах. С точки зрения экологии требуется снижение выбросов вредных веществ в уходящих дымовых газах, чему соотвествует обобщенный критерий экологичности (5). Полученная зависимость для данного критерия представлена на рис. 3. Для эффективных режимов работы примем величину критерия выше 0,7. Отделив результаты вычислений линией 0,7, примем, что результаты, находящиеся выше, являются приемлемыми. Таким образом, рассматривая приемлемые результаты испытаний, можно проанализировать не только эффективность работы оборудования, но и качество Рис. 2. Обобщенный параметр технологичности Рис. 3. Обобщенный параметр экологичности . Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) 144 ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ, ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И АГРЕГАТЫ проведенных ремонтов, после которых производились испытания оборудования. Таким образом, следует выбирать режимы работы данного оборудования при производительности от 163 до 170 т пара в час. Важно отметить, что эффективность по экологическому критерию не зависит от производительности напрямую, поскольку при близких значениях оценки эффективности резко расходятся. Так, например, при двух испытаниях, сделанных через определенные промежутки времени, и разном состоянии оборудования, при выработке пара 130 т/ч, величины критерия эффективности составили 0,6 и 0,72, а при 170 т/ч - 0,5 и 0,82. Следовательно, на величину критерия эффективности весьма сильно влияет состояние оборудования на момент проведения испытаний и качество проведенного ремонта. Возможно, рассматривая результаты каждого испытания по отдельности, можно выявить различные зависимости. Так, например, при паропроизводительности от 140 до 210 т/ч наблюдаются наименьшие величины выбросов оксидов азота. Построив графики зависимости приведенной температуры уходящих газов (рис.4, 5) и приведенного содержания соединений оксида азота, важно отметить, что они подобны. Таким образом, результаты анализа обобщенных критериев экономичности, технологичности и экологичности выявили необходимость проведения ремонтных работ, но не позволили дать однозначные рекомендации по выбору наиболее эффективных режимов функциониорования котла ТП-230. Для этого сформулируем глобальный критерий эффективности оборудования, одновременно учитывающий все восемь частных критериев работы котла [24]. Анализ глобального критерия эффективности Для формирования глобального критерия эффективности сравнительной совокупности объектов объединим полученные обобщенные критерии эффективности (1), (3), (5). , (7) где n=1, 2, …, N. К весовым коэффициентам применяется система ограничений по аналогии с системами (2), (4), (6). Результатом использования глобального критерия эффективности является комплексная оценка работы оборудования с учетом всех выбранных частных показателей эффективности (рис. 6). Рассмотрим влияние каждого из выбранных выходных параметров в глобальный критерий эффективности (7). Поскольку величины весовых коэффициентов КПД брутто котла и температуры уходящих газов малы и во многих случаях не превышают 0,05, при средней арифметической общей оценке эффективности 0,975, следует, что данные локальные параметры практически не влияют на итоговую оценку по сравнению с другими критериями. Рис. 4. Приведенное содержание Nox средн. - Nox пр., мг/нм3 Рис. 5. Приведенная температура уходящих газов 145 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) А.Г. Салов, А.А. Гаврилова, Ю.В. Чиркова, Л.А. Сагитова Наибольшее влияние, относительно других характеристик работы теплового оборудования, оказывает удельный расход газа с весовым коэффициентом от 0,7 до 0,3. Вторым по значимости и влиянию (от 0,4 до 0,1) на глобальный критерий является показатель, определяющий отклонение разрежения в топке котла от оптимального значения. Таким образом, расчеты показали возможность эксплуатации исследуемого котла на всем диапазоне нагрузок. Наиболее эффективными являются нагрузки в интервале от 140 до 210 т/ч, где показатели глобального критерия достигают максимальных значений, равных 1. Выводы. 1. В работе продемонстрированы возможности DEA методики для определения эффективности энергетического оборудования по комплексу ключевых критериев его работы. 2. Проведенное исследование позволяет качественно и количественно оценить проведенные реконструкции и подобрать оптимальные режимы работы оборудования. 3. Анализ полученных результатов показал возможность разработки комплекса мероприятий, который следует применить для внесения необходимых корректировок в работу оборудования.

About the authors

Aleksey G. SALOV

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

Anna A. GAVRILOVA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Yuliya V. CHIRKOVA

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Lyaisan A. SAGITOVA

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files