автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Структурно-параметрическая оптимизация теплофикационных ПГУ

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

УДК 621.438

СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОГГГИМИЗАЦ1Ш ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ ПГУ

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КАЧАН Светлана Аркадьевна

М н н с к 2 0 0 0

Работа выполнена на кафедре "Промышленная теплоэнергетика и теплотехника" Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель кандидат технических наук,

доцент Седнин В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Бокуи И.А.,

кандидат технических наук, лауреат государственной премии СССР Кнотько П. И.

Оппонирующая организация НИГП "БелТЭИ".

Защита состоится " 9 " ноября 2000 г. в 14.00 часов на заседании совета по защите диссертаций Д 02.05.01 при Белорусской государственной политехнической академии: 220027, г. Минск, пр. Ф.Скорины, 65, корп. 2, к. 201, тел. 2-399-145.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусской государственной полигехнической академии.

Автореферат разослан октября 2000 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, кандидат технических наук, доцент

© Качан С. А., 2000

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

Особенностью современного этапа развития энергетики Беларуси-и других стран СНГ, в частности России, а также за рубежом является внедрение 1и ТЭС и промышленных предприятиях парогазовых технологий. При правильном выборе схем и параметров ПГУ их Применение обеспечивает существенную (на уровне 20% и выше) экономию топлива в энергосистеме при уменьшении капитальных вложений на единицу пводимой мощности.

Использование ПГУ в теплофикационных системах позволяет повышать технико-экономическую эффективность и конкурентоспособность теплофикации, в том числе при относительно невысоком уровне присоединенных к ТЭЦ тепловых нагрузок. Поэтому ПГУ находят широкое применение как при строительстве новых, так и При реконструкции действующих ТЭЦ, в том числе ТЭЦ высокого давлений. Последнее особенно важно для Беларуси, основная часть действующих ТЭЦ которой требует реконструкции вследствие их физического и морального износа.

В соответствии со сказанным,, в настоящее время актуальной является проблема струкгурно-парамепрической и режимной оптимизации теплофикационных ПГУ при реконструкции действующих ТЭЦ и котельных, а также разработка новых высокоэкономичных и более дешевых теплофикационных установок, в частности, на базе использования контактных ГТУ при условии глубокой утилизации теплоты отработавшей парогазовой смеси. Такие ПГУ могут применяться как на ТЭЦ энергосистемы, так и на промышленных предприятиях, с использованием для конденсации водяных паров относительно холодной сырой воды или воды для технологических нужд производства и горячего водоснабжения.

Указанная проблема в настоящее время исследована недостаточно, особенно в части разработки и структурно-параметрической оптимизаций теплофикационных ПГУ на базе контактных ГТУ с полезным использованием теплоты конденсации водяных паров.

Связь работы с крупными научными программами, темами.

Исследования по теме диссертационной работы выполнялись в соответствии с планом НИР кафедры промышленной теплоэнергетики и теплотехники Белорусской государственной политехнической академии и в рамках межвузовской программы фундаментальных исследований ''Приоритет", утвержденной Минобразования РБ на период 1997-99 г.

Цель й задачи исследования.

Цель работы состоит в научно обоснованном решении важной проблемы повышения системной эффективности применения парогазовых технологий на ТЭС и промышленных предприятиях.

Для достижения указанной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

обосновать оптимальную структуру и параметры ПГУ, используемых при расширении и реконструкции ТЭЦ высокого давления;

разработать критерии и программы оперативной оптимизации режимов ПГУ с иротиводавленческими паровыми турбинами (ППТ), работающими параллельно с паротурбинными установками (ПТУ) ТЭЦ;

разработать схемы, исследовать термодинамическую и технико-экономическую эффективность и область применения комбинированных ПГУ (КПГУ) с глубокой утилизацией теплоты газов;

разработать модели расчета и оптимизировать параметры контактных ГТУ, используемых в схемах КПГУ.

Объект и предмет исследования.

Объект исследования: газотурбинные и парогазовые установки, в том числе работающие параллельно с ПТУ ТЭС и в составе комбинированных теплофикационных установок. Предмет исследования: схемы, параметры и режимы работы утилизационных и контактных ПГУ, термодинамические и технико-экономические показатели их эффективности.

Методология и методы проведенного исследования.

Принятая в диссертации методология исследований основана на системном подходе к объекту и предмету исследований и базируется на использовании методов термодинамического анализа циклов, математического моделирования теплоэнергетических установок, численного и физического эксперимента и апробированных методик технико-экономических исследований в энергетике в рыночных условиях ее функционирования.

Научная новизна и значимость полученных результатов.

1. Показано, что для паровых турбин (ПТ) утилизационных ПГУ (УПГУ) в связи с отсутствием регенерации значения коэффициента отборов Кой существенно ниже, чем для ПТ паротурбинных ТЭЦ. С учетом этого обоснована оптимальная структура УПГУ, используемых при реконструкции и расширении ТЭЦ высокого давления

2. Впервые показана эффективность применения в схемах теплофикационных ПГУ "расщепленных" котлов-утилизаторов (РКУ), дожигание топлива в которых позволяет увеличить долю расхода пара в контуре высокого давления и согласовать параметры получаемого пара с начальными параметрами на реконструируемой ТЭЦ при работе РКУ и существующих котлов на общий коллектор.

3. На основе исследования характеристик утилизационных ПГУ с ППТ показан вогнуто-выпуклый характер зависимости экономии топлива в энергосистеме от их тепловой нагрузки, и в развитие методов оптимизации тепло-

энергетических установок обоснованы оптимальные режимы параллельной работы таких ПГУ с ПТУ ТЭЦ.

4. Предложена и запатентована схема комбинированной теплофикационной ПГУ на базе контактной ГГУ, обеспечивающая глубокую утилизацию теплоты парогазовой смеси, в том числе за счет использования при необходимости в утилизационном контуре теплонасосной установки (ТНУ).

5. Впервые разработаны критерии термодинамической и технико-экономической эффективности КПГУ и обоснованы возможные области их применения и оптимальные параметры газовой части таких установок.

Практическая и экономическая значимость полученных результатов. Практическая ценность результатов работы заключается в возможности их использования для научно обоснованного выбора параметров газовой части и схем теплофикационных ПГУ в зависимости от конкретных условий их применения и обеспечении экономии топлива и приведенных зачрат в энергосистеме за счет реализации рекомендованных схем реконструкции ТЭС, оптимизации режимов работы ПГУ и внедрения новых комбинированных установок с глубокой утилизацией.теплоты газов.

Предложенные схемы КПГУ, которые обеспечивают более высокий индекс доходности по сравнению с обычными ПГУ, могут быть использованы в схемах низкопотенциального теплоснабжения промышленных предприятий, в системах комбинированного тепло- и холодоснабжения, для подогрева сырой воды на крупных ТЭЦ и т.д.

Методика технико-экономического сопоставления вариантов применения ПГУ через величину относительной (удельной) экономии топлива использована в работах БелНИПИэнергопром, а также в научно-исследовательских работах и учебном процессе на энергетическом факультете БГПА.

Рекомендации и компьютерные программы расчета показателей и оперативной оптимизации режимов ПГУ с ППТ внедрены и используются на Оршанской ТЭЦ. При этом за счет правильного выбора последовательности загрузки ГГУ и степени использования паротурбинного оборудования старой очереди ТЭЦ можно снизить удельный расход топлива на отпуск электроэнергии примерно на 10%, что соответствует.экономии условного топлива в энергосистеме около 3000 т/год.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Методика и результаты обоснования оптимальной струкгурм У ПГУ, используемых при реконструкции и расширения ТЭЦ высокого давления, основанные на исследовании и сопоставлении коэффициентов отборов К01л для паровых турбин ПГУ и реконструируемых ТЭЦ и показавшие, что ПГУ должны использоиаться в режиме теплового графика, а график электрических.

нагрузок при необходимости должен регулироваться существующими ПТУ ТЭЦ.

2. Методика и результаты исследования эффективности применения при реконструкции 'ТЭЦ высокого давления "расщепленных" котлов-утилизаторов, показавшие, что за счет повышения температуры и расхода пара в контуре высокого давления дожигание топлива перед РКУ оказывается выгодным даже при вытеснении тепловой нагрузки действующих ПТУ ТЭЦ, но не оправдывается, если приводит к вытеснению тепловой нагрузки и мощности самой ПГУ. 1

3. Результаты исследований энергетических характеристик и программа оперативной .оптимизации режимов параллельной работы УШУ с ГШТ и ПТУ ТЭЦ, позволяющая выбрать оптимальный уровень тепловой нагрузки и последовательность загрузки ГТУ с учетом влияния всех внешних факторов.

4. Разработанные схемы КЛГУ на. базе контактных ГТУ с глубокой утилизацией теплоты парогазовой смеси после газовой турбины и результаты их термодинамического и технико-экономического анализа, показавшие, что применение таких установок позволяет существенно (примерно в 1,5 раза) повысить индекс доходности и уменьшить срок окупаемости капитальных вложений по сравнению с традиционными схемами ПГУ.

5. Математическая модель, позволяющая рассчитать на ЭВМ показатели ПГУ различной структуры, и результаты оптимизации степени повышения давления для контактных ГТУ, используемых в схемах КПГУ с глубокой утилизацией теплоты парогазовой смеси.

Личный вклад соискателя состоит.в обосновании структуры и параметров ПГУ при реконструкции ТЭЦ,'в том числе с применением "расщепленных" котлов-утилизаторов; в исследовании и опытной проверке построенных характеристик ПГУ Оршанской ТЭЦ; в разработке компьютерных программ расчета показателей и оптимизации режимов ПГУ с противодавлеиче-скими паровыми турбинами; разработке схем, термодинамическом и технико-экономическом анализе эффективности и обосновании возможности применения комбинированных ПГУ с глубокой утилизацией теплоты газов и оптимизации параметров, используемых в таких схемах контактных ГТУ с помощью разработанной компьютерной программы.

Апробация результатов диссертации. Материалы работы докладывались на научно-технических конференциях Белорусской государственной политехнической академии в 1995 - 2000 годах.

Опубликоваиность результатов. Основные положения диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе в 6 статьях в научных журналах и сборниках, 4 тезисах докладов и выступлений на конференциях, 1 патенте на изобретение. Две работы написаны единолично. Общий объем опубликованных Материалов - 40 е., в том числе без соавторов - 5 с.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит га введения, общей характеристики работы, пяти глав основной части, заключения, списка использованных источников из 128 наименований. Работа представлена на 150 е., включая 29 иллюстраций, 12 таблиц, I приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведения структурно-параметрической оптимизации теплофикационных ПТУ.

В первой главе дается литературный обзор состояния проблемы и делается постановка задачи исследований.

Вторая глава посвящена оптимизации структуры и параметров ЛГУ, используемых при реконструкции действующих ТЭЦ высокого давления. При оценке экономической эффективности сопоставляемых схем ПГУ и реконструируемых ТЭЦ использован наиболее общий по нашему обоснованию критерий: относительная экономия топлива против раздельной схемы энергоснабжения AB^V и ДВГ

В общем случае при реконструкции ТЭЦ могут применяться утилизационные ПГУ с собственной паровой турбиной с противодавлением или конденсацией пара, а также ПГУ с подачей пара из котла-угализатора (КУ) в коллектор свежего пара реконструируемой ТЭЦ. Выбор структуры ПГУ определяется режимом их работы в течете года и особенностями энергетических характеристик (ЭХ) при работе ТЭЦ по тепловому и электрическому графикам нагрузок.

Известно, что по электрическому графику должны загружаться в первую очередь ПТ с большим значением коэффициента отбора К^ = dQt/dQ^ представляющего собой прирост расхода теплоты на турбину Qo при единичном увеличении ее тепловой нагрузки QrH зависящего от значений приростов теплофикационной мощности и расхода теплоты на выработку электроэнер-пш г,.

ПТ ПГУ работают без паровой регенерации, поэтому для них удельная выработка электроэнергии на тепловом потребле»ши W, будет ниже, а гж выше, чем для ПТ реконструируемой ТЭЦ. Исследования показали, что по этой причине при одинаковых начальных параметрах пара значения К^ для ГГТ ПГУ существенно (на 15 - 20%) ниже, чем для ПТУ ТЭЦ. Следовательно, электрический график нагрузок должен обеспечиваться за счет ПТ реконструируемой ТЭЦ, а ПГУ следует преимущественно использовать в режиме теплового графика. Аналогичный вывод получен из анализа прироста экономии топлива от теплофикации dAB„/dQTnpn изменении тепловой нагрузки ПТ ПГУ и реконструируемой ТЭЦ.

Таким образом, при уровне тепловых нагрузок, позволяющем загружать ПГУ по тепловому графику в течение основной части года, в ее составе следует применять ПИТ, используя при необходимости в конденсационном режиме существующие ПТУ реконструируемой ТЭЦ.

Важным условием выбора схемы и структуры ПГУ при реконструкции ТЭЦ является минимальное вытеснение тепловых нагрузок существующих ПТУ. В максимальной степени этому условию отвечает схема с подачей пара из КУ в коллектор свежего пара ТЭЦ, имеющей резерв по пропускной способности паровых турбин или дефицит котельной мощности.

Сравнительно небольшое (только на величину тепловой мощности газоводяных подогревателей) вытеснение нагрузки существующих ПТУ обеспечивает также схема со сбросом газов ГГУ в паровые котлы (ПК) ТЭЦ. Для такой схемы важна оптимизация параметров применяемых 1*11/, в частности, степени повышения давления в компрессоре пк. В качестве критерия оптимальности был принят максимум экономии топлива на единицу "свободного" воздуха в камере сгорания (КС) ГТУ.

Исследования показали, что оптимальная величина лкопт зависит от начальной температуры газов t3 и снижается против я/"1 для одноцелевых ГТУ, приближаясь к значениям, соответствующим максимуму удельной полезной работы ГГУ. При t3 = 1000 - 1200 °С тг/1" « 10 -12.

При реконструкции ТЭЦ с подачей пара из КУ ПГУ в коллектор свежего пара для согласования температуры пара, получаемого в КУ и паровых котлах ТЭЦ, эффективным является применение "расщепленных" КУ, в которых дожигание топлива осуществляется только в той части газового потока, водяной эквивалент которого равен водяному эквиваленту пара (рис. 1 ).Г1ри этом не только исключается известный отрицательный эффект подвода теплоты в низкотемпературной части ПГУ, но даже возможно повышение тепловой экономичности схемы за счет добавления паросилового цикла с высокой температурой подвода теплоты (рис. 2).

S

S

ш/

G„

тА

À

ШН Gr, L) газы от ГТУ Рис. 1

Ро

. КУ

AQKy Т0КУ

' Оку Т* "I

....\

/

-г Дон ! ср

Рис. 2

При этом системная экономия теплоты топлива составляет

Л<5э, = ДИпгу цзяи + ДQпгy Чют - ДОку - ДОпгу^, (Чзам " Чтф), (1)

где ДИпту, ДОпгу - изменение электрической и тепловой мощности ПГУ при дожигании топлива А(3КУ; ч,,,,,, qTф - удельные расходы теплоты топлива на замещающих КЭС и котельной и на теплофикационную выработку электроэнергии на ТЭЦ. Последний член в (1) учитывается, если дожигание топлива в РКУ приводит к вытеснению тепловой нагрузки паровых турбин.

Расчеты показали, что применение РКУ является весьма выгодным даже при вытеснении тепловой нагрузки отборов ПТУ. Однако вытеснение базовой нагрузки собственно теплофикационной ПГУ за счет дополнительного, сжигания топлива в РКУ невыгодно.

В третьей глиие рассмотрены вопросы оптимизации режимов утилизационных ПГУ с ППТ. Такие ПГУ отличаются меньшей стоимостью за счет упрощения паровой части и высокой экономичностью при номинальных тепловых нагрузках, но могут резко снижать свою эффективность при уменьшении последних. Это предопределяет важность правильного выбора режимов загрузки ПГУ с ППТ.

Исследования проводились применительно к реальному объекту: Оршанской ТЭЦ, на которой ПГУ в составе двух ГТУ с КУ и ППТ работает параллельно с паротурбинным оборудованием старой очереди (СО). Поэтому для этой ТЭЦ может иметь место все многообразие режимов работы рассматриваемых ПГУ, а результаты исследований являются достаточно общими н могут быть использованы на других подобных ТЭЦ.

Предварительно, перед этапом оптимизации, были исследованы и построены ЭХ ПГУ Оршанской ТЭЦ во всем возможном диапазоне режимов ее работы и с учетом всех влияющих факторов: экологического впрыска пара в КС ГТУ, наличия антиобледенительного подогрева воздуха перед компрессором, параметров атмосферного воздуха, влияния числа работающих ГТУ на мощность ППТ, состояния ГТУ (определяемого временем после очередной чистки), тепловой нагрузки ПГУ и др. Достоверность построенных ЭХ ПГУ была проверена специально проведенными опытами.

Важнейшей характеристикой ПГУ с точки зрения оптимизации режимов ее работы является экономия топлива против схемы замещения

дв* =Ч*А»+Рг™Ь,ет-Впп', (2)

где ЫПгу. Опгу. Пщ-у - мощность, тепловая нагрузка и расход топлива на ПГУ; Ьцц*. Ьц0Т - удельные расходы топлива на замещающей КЭС и котельной.

Исследования показали, что при уменьшении тепловой нагрузки ИГУ, работающей в составе одной ГТУ, до некоторой величины, определяемой

возможностями регулирования расхода воздуха через компрессор с помощью поворотных лопаток, происходит резкое снижение ДВ31 вследствие необходимости применения неэкономичного способа регулирования нагрузки за счет уменьшения начальной температуры газов 13.

Зависимость (сплошные линии), при которой ДВШ снижается до нуля, и соответствующей ей мощности (пунктир) от температуры наружного воздуха 1„ для случаев нахождения ППТ при малых нагрузках в горячем и холодном резерве показана на рис. 3.

При оптимизации режимов ПГУ определяющей является не абсолютная величина ДВЗЬ а ее прирост ДВ^сК^, зависимость которого от тепловой нагрузки одной ГТУ (}т для двух значений Ъ приведена на рис. 4.

Как видно, ЭХ ПГУ является вогнуто-выпуклой. Исходя из этого, а 'также с учетом большого расхода теплоты на холостой ход ГТУ, включение в работу ГТУ при увеличении От-у должно производиться последовательно. Причем, при работе двух ГТУ на начальном участке они должны загружаться симметрично, а их перегрузку необходимо осуществлять последовательно.

Для оперативной оптимизации режимов ПГУ с учетом всех факторов и возможности ее параллельной работы с СО ТЭЦ была разработана компьютерная программа. Проведенные с ее использованием исследования выявили диапазон тепловых нагрузок ТЭЦ Отэц, в котором выгодным является использование не двух ГТУ, а одной с подачей пара от СО ТЭЦ на ППТ ПГУ. При этом ПК СО должен эксплуатироваться с минимально необходимым расходом пара, а в некотором диапазоне изменения Отзц выгодно снижать технический минимум ПК СО с переводом его на сниженное давление. При высоких значениях Отэц и необходимости совместной работы ПГУ и СО пар от ПК СО должен подаваться вначале на ППТ ПГУ с загружением ее до максимальной мощности, и только после этого следует вводить в работу ПТУ СО.

Показано также, что при работе ПГУ с частичными тепловыми нагрузками необходимо выравнивать суточный график отпуска теплоты, в том числе за счет использования аккумулирующей способности тепловых сетей.

Программы расчета показателей и оптимизации режимов ПГУ внедрены и используются на Оршанской ТЭЦ.

В четвертой главе дается термодинамический п технико-экономический анализ показателей работы и возможности применения комбинированных ПГУ на базе контактных ГТУ с глубокой утилизацией теплоты газов.

Применение таких ГТУ позволяет снижать стоимость за счет отката от установки ПТ с увеличением мощности ГТУ при полном (энергетическом) впрыске пара из КУ в КС ГТУ на 65 - 75%. Одновременно, при условии полной утилизации теплоты конденсации вводимых в КС паров, можно полу-

Qt Рис. 4

Рис. '3

чнть коэффициент использования топлива Киш = 1 и существенно повысить тепловую экономичность установок.

Для конденсации всех дополнительно вводимых в КС водяных паров парогазовая смесь должна охлаждаться примерно до 35°С, поэтому такие установки могут применяться при необходимости нагрева значительных количеств исходной (сырой или технологической) воды с относительно низкой начальной температурой.

Для расширения возможности применения КГ1ГУ нами предложена и запатентована схема с включением в ее утилизационный контур для частичной конденсации водяных паров теплонасосной установки, которую следует включать по ходу газов перед подогревателем сырой воды (ПСВ) для повышения температурного уровня в испарителе и, соответственно, коэффициента преобразования энергии в ТНУ К„.

Были получены выражения для расчета критерия термоинамической эффективности КПГУ: относительной экономии топлива против раздельной схемы энергоснабжения дв* при применении ТНУ различных типов. В частности, для компрессионных Т1ГУ с установкой ПСВ

где а,- - доля мощности газового потока в ГТУ; т}щ - внутренний КПД "истроенного" паросилового цикла; ЛксП»')™ " КПД КС и КПД, учитывающие электромеханические потери н расход электроэнергии на собственные нужны ГТУ; ф - доля теплоты парогазовой смеси, утилизируемой в ТНУ.

и увеличении Кп можно получить высокие значения двК) а при утилизации всей теплоты в ПСВ без применения ТНУ (ф = 0) дв„ 2:0,7, что существенно выше. экономичности современных бинарных теплофикационных Г1ГУ обычного типа.

Ввиду высокой удельной стоимости компрессионных ТНУ обычного типа (с электроприводным компрессором) были рассмотрены варианты применения ТНУ с пароструйными компрессорами (ПСК), которые являются более простыми и дешевыми. ПСК могут -играть в утилизационном контуре роль вакуумных деаэраторов и технологически вписываются в схему КПГУ, хотя для получения достаточно высоких коэффициентов инжекции и' (в тепловых единицах) должны работать с малыми перепадами температур в испарителе и конденсаторе.

Ко - 1

(3)

Результаты расчетов приведены на рис. 5. Как водно, при снижении ф

дв.

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

к

0,3 0,2 0,1 0

5

Кл Рис. 5

Ч

ф= 0

двГ^ 0,5

~ . ТГГ'ТУ / АВз, ^ ^^ ф=1 —-

0,8 4,7 0,60,5 0,4 0,3 0,2 0,1

ЛВ,

Полученные выражения для расчета ДВ* КПГУ при различных способах получения рабочего пара для ПСК можно обобщить формулой вида

ДВж =

л» л».

а, +(а2+8зХ1+тп)+(а4 +а5)-(а4шД\^+а^

впу+(?Г а1т+аз

^ Лгк/

(4)

где КГТу = 1+Оп; Вгту = 1/л,+а„Хт; = Вт- - N^7 = 1/ть-1+а„(Хт-1) - электрическая мощность, расход топлива и максимально возможная теплота утилизации контактной 11 У (а„ - доля мощности "встроенного" паросилового цикла; т), - элекгрический КПД ГТУ на "сухих" газах; %т - коэффициент, учитывающий увеличение расхода топлива в КС на перегрев впрыскиваемого пара); щ, а2, а3, а), а5 - доля рабочего пара для ПСК, получаемого: из нижнего контура КУ без и с использованием дожзнания топливо, от Г1К и из II-отборов ПТ (с вытеснением и без вытеснения нафузок отопительных отборов турбин) существующей ТЭЦ; ,ДWrгr - удельная выработка электроэлектро-энергни для Т-отборов и разность в значениях этого показателя для П- и Т-огборов; л™ - КПД ПК; ш = (1-уУи' (у - доля теплоты утилизируемой о ПСК).

Расчеты показали, что наиболее высокие значения ДВ* ^ 0,7 достигаются при подаче рабочего пара на ПСК из контура низкого давления КУ, когда его можно получить без дополнительного дожигания топлива, но нельзя подать в КС ГТУ (это практически адекватно случаю с у = 0 при утилизации всей теплоты в ПСВ), а также при подаче на ПСК пара из П-отбора

ПТУ, если при этом не происходит вытеснение нагрузок отопительных отборов последних.

Возможность практического применения КПГУ обусловлена наличием серии разработанных НПО "Машпроект" (г. Николаев, Украина) контактных ГТУ, в том числе типа "Водолей" с конденсацией водяных паров в смешивающих конденсаторах, а также наличием относительно дешевых и высокоэффективных теплообменников разработки ИПЭ АНБ, рассчитанных на утилизацию теплоты парогазовых смесей.

В диссертации произведен расчет технико-экономических показателей следующих вариантов применения КПГУ:

- для подогрева сырой и химочищенной воды на крупных ТЭЦ, когда возможна непосредственная (без использования ТНУ) глубокая утилизация теплоты газов в ПСВ;

- применение КПГУ небольшой мощности для подогрева технологической воды на крупных мясокомбинатах с использованием ТНУ с ПСК;

- использование КПГУ в перспективных схемах комбинированного тепло* и холодоснабжения с абсорбционными холодильными машинами.

Варианты применения КПГУ сопоставлялись с альтернативой применения современных утилизационных ПГУ конденсационного типа и газотурбинной надстройки блока № 6 МТЭЦ-4 по "сбросной" схеме, которая, по проведенным на кафедре ТЭС БГПА исследованиям, является одним из наиболее эффективных вариантов применения ПГУ в энергосистеме Беларуси.

Расчеты осуществлялись с использованием данных по реально работающей контактной ПГУ ГПУ16К мощностью 16 МВт НПО "Машпроект" и разработанной там же ПГУ мощностью 4,5 МВт.

Сопоставление производилось по индексу доходности Ид, представляющему собой дисконтированную за срок службы объекта прибыль на единицу капитальных вложений, и по сроку окупаемости Ток.

Для масштабного коэффициента дисконтирования прибыли шд при приведении ее к началу строительства объекта получено выражение в виде

где Д - норма дисконтирования; Тсл , Т^ - сроки службы и строительства объекта.

(5)

При этом Ток отвечает такому сроку службы объекта То, для которого с учетом величины ш„ из (5) Ид = 1.

Расчеты показали, что рассмотренные варианты применения КПГУ по обоим критериям существенно (в полтора и более раз) превосходят указанные выше альтернативные варианты применения ПГУ.

В пятой главе приведены методика и результаты оптимизации параметров ГТУ в схемах КПГУ.

Для расчета схем КПГУ и утилизационных ПГУ обычного типа была разработана компьютерная программа, позволяющая рассчитывать ПГУ с КУ при различной величине впрыска пара в КС ГТУ, в том числе при полном энергетическом впрыске. В алгоритме предусматривается как воздушное, так и паровое охлаждение первых ступеней ГТУ. Последнее представляется особенно перспективным для контактных ГТУ.

Расчет ГТУ производится с учетом зависимости КПД компрессора и ГТ от степени повышения давления в компрессоре як и степени расширения в турбине 71Т и зависимости основных свойств рабочих тел от температуры. Предусматривается возможность расчета двух- или одноконтурных КУ при наличии за ними дополнительных газоводяных теплообменников и ТНУ.

Достоверность разработанной программы подтверждена сопоставлением данных расчетов по ней с характеристиками ряда ГТУ, в том числе, установленных на Оршанской ТЭЦ.

Критерием оптимизации параметров КПГУ принят максимум относительной экономии топлива против схемы замещения, выражение для расчета которой с учетом общей глубины утилизации теплоты парогазовой смеси после КУ XI и доли утилизации ее в ТНУ Хг имеет вид

Для контактных ГТУ важен правильный выбор расчетного отношения скоростей и/Св для ступеней ГТ, так как при одинаковой степени расширения располагаемое теплопадение для водяных паров Н^ больше, чем для "сухих" газов Ног, в т„ раз

<7)

Здесь К„, К,, - показатели адиабаты и значения газовых постоянных

для водяных паров н "сухих" газов.

Используя известную параболическую зависимость КПД турбинной ступени от расчетного теплопсрепада и оптимизируя удельную работу рас-

12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

"К

Рис. 6

ширсиия парогазовой смеси, было получено, что расчетная величина оптимального располагаемого теплоперепада смеси НоХ для выбора отношения скоростей и/С0 ступеней равна

Н„ = Н„{аа^Га+(1-аа$, (8)

где (Хщ - массовая доля водяных паров в парогазовой смеси.

Расчеты показали, что для контактных ГГУ отношение и/С0 должно выбираться меньшим, чем для ГТУ, работающих на "сухих" газах, примерно на 5%, за счет чего возможно увеличение полезной мощности ГТУ на 0,4%.

Оптимизация степени повышения давления в компрессоре як для ГТУ, работающих без утилизации теплоты отработавших газов, показала, что для заданных значений начальной температуры газов 13 величины тг^131* при энергетическом впрыске пара лишь незначительно превышают лк"1* для одноце-левых ГТУ. Это объясняется противоположным влиянием двух факторов: с одной стороны, при впрыске пара можно ожидать увеличения якор1 из-за повышения КПД "встроенного" паросилового цикла, с другой - утилизация теплоты газов после ГТУ для получения пара, подаваемого на впрыск, Способствует снижению

Результаты оптимизации як для КПГУ в зависимости от степени утилизации руг приведены на рис. 6. При этом при наличии ТНУ вводилось понятие приведенной степени угилизаннн

_ , 1 1 , Xnf - X\ X\Xi „ , • (9)

Исследования показали, что для КТ1ГУ значения Як"1* мало снижаются при увеличении Хлр и определяются в первую очередь начальной температурой газов t3. Для t3 = 1100 - 1200 "С якор1 > 30, что превышает реально достигнутые в настоящее время як компрессоров ГТУ. Характерно, что с учетом положительного влияния t3 на КПД "встроенного" паросилового цикла наблюдается монотонное увеличение ЛВ, с ростом начальной температуры газов во всем исследованном диапазоне изменения последней.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты.

1. Так как ПТ ИГУ работают без паровой регенерации, прирост расхода теплоты на такие турбины при постоянной их мощности и единичном изменении тепловой нагрузки оказывается существенно (примерно на 15%) ниже, чем для подобных по начальным параметрам турбин паротурбинных ТЭЦ. Поэтому при реконструкции ТЭЦ высокого давления ПГУ должны работать преимущественно по тепловому графику, а электрический график нагрузок следует обеспечивать за счет паротурбинной части реконструируемых ТЭЦ. Это предопределяет целесообразность применения ПГУ с противодав-ленчсскимн паровыми турбинами, если уровень тепловых нагрузок реконструируемой ТЭЦ обеспечивает близкую к круглогодичной загрузку ПГУ.

Для минимизации степени вытеснения тепловых нагрузок действующего оборудования следует применять схемы с подачей пара из КУ в коллектор свежего пара ТЭЦ, а та осе схемы со сбросом газов ГТУ в паровые котлы ТЭЦ/1,2,3,4,7/.

2. Применение РКУ с целью повышения температуры вырабатываемого пара для согласования ее с температурой свежего пара на реконструируемой ТЭЦ высокого давления является абсолютно выгодным даже при вытеснении тепловой нагрузки паротурбинных установок ТЭЦ, но оказывается неоправданным, если приводит к вытеснению тепловой нагрузки собственно ПГУ/8/.

3. Исследование энергетических характеристик ПГУ с ПОТ по разработанной модели на ЭВМ показало, что зависимость экономии топлива в энергосистеме от тепловой нагрузки ПГУ является вогнуто-выпуклой, что предопределяет соответствующий характер загрузки ГТУ.

Разработанные и внедренные на Оршанской ТЭЦ программы расчета показателей и оптимизации режимов ПГУ с ППТ позволяют выбирать оптимальный состав оборудования во всем возможном диапазоне изменения теп-

ловых нагрузок ТЭЦ. При этом за счет правильного выбора режимов параллельной работы ПГУ и старой очереди ТЭЦ можно обеспечить существенную экономию топлива в энергосистеме. В результате снижение удельного расхода условного топлива на отпуск электроэнергии достигает 10 г/(кВт-ч) и более, что позволяет экономить в энергосистеме около 3000 т/год /5, 9/.

4. Применение ПГУ на базе контактных ГТУ позволяет при существенном снижении удельных капитальных вложений обеспечивать высокие показатели тепловой экономичности за счет реализации "встроенного" в газовую турбину паросилового цикла, особенно при полезном использовании теплоты парогазовой смеси, покидающей котел-утилизатор. Последнее достигается в предложенном и запатентованном цикле комбинированной ПГУ, в котором для обеспечения более глубокой утилизации теплоты парогазовой смеси частичная конденсация водяных паров может осуществляться за счет включения в утилизационный коцтур ТНУ /6, 10, 11/.

5. В качестве наиболее полного и однозначного показателя термодинамической эффективности КПГУ обоснована относительная экономия топлива в энергосистеме против раздельной схемы энергоснабжения дв* и получены аналитические выражения для его определения с учетом параметров используемых ГТУ, глубины утилизации теплоты парогазовой смеси, применения ТНУ, в том числе ТНУ с пароструйными компрессорами.

Произведенный анализ режимов работы, технической возможности и системной эффективности применения КПГУ в схемах низкопотенциального теплоснабжения и в системах комбинированного тепло- и холодоснабжения, показал возможность существенного повышения индекса доходности таких проектов и снижения срока их окупаемости против альтернативных вариантов использования ПГУ обычного типа /6, 10, 11/.

6. Разработанные модель и компьютерная программа позволяют рассчитывать показатели работы контактных ПГУ с учетом особенностей их схемы. С использованием этой программы произведена оптимизация параметров ГТУ, по результатам которой возможно выбирать оптимальную степень повышения давления в. компрессоре лк0[* при разработке схем КПГУ. Показано, что величина тскор1 в малой степени зависит от глубины утилизации теплоты парогазовой смеси после КУ, но существенно растет с увеличением начальной температуры газов в цикле tэ.

Исследовано также влияние массовой доли водяных паров в парогазовой смеси на выбор расчетных Характеристик газовой турбины /б, 10, 11/.

СПИСОК опубликованных работ по теме диссертации:

1. Качан А.Д., Качан СЛ., Эль Асхар Абдельхадн. Выбор термодинамически оптимальных параметров ГТУ в схемах газотурбинных надстроек энергоблоков со сбросом газов в паровой котел // Теплофикация и теплоснабжение РБ. - Сб. науч. трудов / БелНИПИэнергопром. - Минтопэнерго РБ. -Мн., 1996.-228 с.

2. Битерлих В., Качан С.А., Шишея П.Н. К вопросу об эффективности применения ГТУ с промежуточным подводом теплоты при реконструкции ТЭЦ высокого давления // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объед. СНГ). - 1996. - № 1 - 2. - С. 59 - 62.

3. Качан С.А. Выбор типа энергоустановок при реконструкции и расширении ТЭЦ // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объед. СНГ). - 1996. - № 9 - 1- С. 72 - 76.

4. Качан А.Д., Качан С.А. Выбор структуры и обоснование принципов загрузки утилизационных ПГУ, работающих в составе паротурбинных ТЭЦ !! Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объед. СНГ). - 1998. - К» 4.-С. 44 -49.

5. Качан А.Д., Качан С.А. Оптимизация режимов работы утилизационных ПГУ с протнводавленческнми паровыми турбинами // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объед. СНГ). - 2000. - № 3 - 4. - С. 72 -76.

6. Качан А.Д., Седиин В.А., Качан С.А. О перспективах применения комбинированных парогазовых установок // Энергоэф<})ективность. - 2000. -№7.-С. 20-21.

7. Качан С.А. Сравнительный анализ эффективности газотурбинной надстройки теплофикационных и конденсационных энергоблоков / Материалы международной 52-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА,- Ч. 1. -Мн.: БГПА, 1997.

8. Качан С.А., Седннн В.А., Шишея П.Н. Об эффективности использования дожигания топлива в котлах-утилизаторах ПГУ/ Материалы международной 51-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА, посвященной 75-летию БГПА. - Ч. 1,-Мн.: БГПА, 1995.

9. Качин А.Д., Качан С.А. Программа оптимизации режимов ГТГУ Оршанской ТЭЦ / Материалы международной 54-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов БГПА. - М. 2 - Мн : БГПА, 2000

10. Качан А.Д., Ссднин В.А., Качан С.А. О термодинамической и тех-ннко-экономической эффективности применения контактной ИГУ с глубокой утилизацией теплоты парогазовой смеси / Материалы международной 54-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов БГПА. - Ч. 2. - Мн.: БГПА, 2000.

11. Патент № 2707 (ВУ), МКИ2 Р 02С 7/00, Р 25В 29/00. Комбинированная энергетическая установка / А.Д. Качан, В.А. Седнин, С.А. Качан (ВУ) // Афщыйны бюлетэнь "Вынаходшцтва, карысныя мадэл^ прамысловыя ^зоры".-1999.-№1 (20).

РЕЗЮМЕ КАЧАН Светлана Аркадьевна

СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ ПГУ

Структурно-параметрическая оптимизация, теплофикационная парогазовая установка, контактная газотурбинная установка, "расщепленный" Котел-утилизатор, технико-экономическая эффективность.

Исследования проводились применительно к промышленным и энергетическим парогазовым установкам (ПГУ).

Предметом исследований явились термодинамические и теплофизиче-ские процессы в элементах ПГУ, схемы, параметры и переменные режимы нх работы и технико-экономическая эффективность.

Цель работы - научно обоснованное решение важной проблемы повышения системной эффективности применения парогазовых технологий на ТЭС и промышленных предприятиях.

Применялся системный метод анализа эффективности ПГУ с нсполыо ванием математического моделирования, численного и физического эксперимента.

Обоснована оптимальная структура ПГУ, применяемых при реконструкции ТЭЦ высокого 'давления, в том числе с применением "расщепленных" котлов-утилизаторов. Разработаны методики и компьютерные программы расчета покупателей и оперативной оптимизации режимов параллельной работы утилизационных ПГУ с противодавленческнми паровыми турбинами и действующих паротурбинных установок ТЭЦ.

Разработаны схемы комбинированных ПГУ (КГ1ГУ) с глубокой утилизацией теплоты газов. Произведен анализ нх термодинамической э<1>фе1стнв-ности и области применения. Разработаны модели и программы расчета КПГУ и выполнена оптимизация параметров контактных ГТУ, используемых в таких установках.

Результаты работы внедрены на Оршанской ТЭЦ, а также используются при сопоставлении схем ПГУ в работах БелНИПИэнергопром и в научно-исследовательских работах и учебном процессе на энергетическом факультете БГПА.

РЭЗЮМЕ

КАЧАН Святлана Аркадзье^на

СТРУКТУРНА-ПАРАМЕТРЫЧНАЯ АИТЫМВАЦЫЯ ЦЕПЛАФЖАЦЫЙНЫХ ИГУ

Структурна-параметрычная оптимизация, цеплафжацыйнпя парагаза-вая ^станоука, кантактная газатурбшная ^стано^ка, "расчэнлсны" кацсл-утылттар, тэхшка-эканам1чная эфектыунасць.

Даследаванш пранодзиися датычна да прамысловых i энергетычных парагазавых установак (ПГУ).

Предметам даследавання^ з'я^лял1ся тэрмад|>шам1чныя i цеплафгнчныя працэсы у элементах ПГУ, схемы, параметры и пераменныя рэжымы ix работы i тэхшка-эканам1чная эфектыунасць.

Мэта работы - навукова абаснаванае вырашэнне важнай праблемы на-вышэпня С1етэмнай эфекты^nacni ^жывання парагазавых тзхналог iii на ЦЭС i прамысловых прадпрыемствах.

Прымяняуся сютэмны метад анализу эфектыунасш ПГУ з пыкарыстан-нем матэматычнага мадэлявання, выл!чальнага i натуральнага эксперимента.

Абаснавана аптымальная структура П1"У, яюя ныкарыстоуваюцца пры рэканструкцьн ЦЭЦ высокага шску, у тым лжу з "расчэпленым1" катлам1-утъшзатарамт Распрацаваны методьпа i кампькггэрныя прафамы разл1ку паказчыкау i аператыунай аптым1зацы1 рэжымау паралелшай працы ^тьшзацыйных ПГУ з супращцскавым1 паравым1 турбшам! i ¡снуючых пара-турбшных установак ЦЭЦ.

Распрацаваны схемы камбшаваных ПГУ (КПГУ) з глыбокай уты-лтцыяй цеплаты газау. Зроблен анагпз ix тэрмадынам(чнай эфектыунасщ i абсягу ^жывання. Распрацаваны мадэл1 i праграмы разл1ку КПГУ i выканана аптым1зацыя параметра^ кантакгных ГТУ, яюя скарыстоуваюцца у гэтьех установках.

Вышга працы ужыты на Аршанскай ЦЭЦ, а таксама ныкарыстоуваюцца пры пара^наннт схем ПГУ f работах БелНШЬнергапрам, у на-вукова-даследчых работах i вучэбным працэсе на энергетычным факультэце БДПА. '

SUMMARY

Kachan Svetlana Arlcadievna

STRUKTURE AND PARAMETER OPTIMIZATION OF HEAT-ELECTRIC CO-GENERATION GAS-AND-STEAM TURBINE UNITS

Structure and parameter optimization, heat-electric co-generation gas-und-steam turbine unit, binary gas turbine, "splitting" waste-heat boiler, technical-economic effectiveness

The study deals with industrial and power generating gas-and-steam turbine units (GSU).

Items, of interest are thermodynamic and thermo-physical processes going up in elements of GSU as well as schemes, parameters and varying duties of GSU and technical-economic effectiveness of GSU exploitation.

The aim of the work is scientific research of system effectiveness improvement of gas-and-steam-technology. incorporation into power plants and industry works.

System method of GSU exploration using mathematical modeling, computer and physical experiment is applied.

The best structure of GSU for high-pressure heat-electric co-generation power plants (CPP) reconstruction, along with "splitting" wasto-heat boilers application, is proved out. Methodolody and computer programs for parameter estimation and operative Varying duty optimization apply to parallel running of heat-electric co-generation GSU incorporaUng back-pressure steam turbines and existing steam turbine units are developed.

Combined GSU (CGSU) schemes with profound exhaust-gases heat utilization are suggested. Their thermodynamic effectiveness and field of application are analyzed. Methodolody and computer programs for CGSU investigation are elaborated. Parameters of binary gas turbines using at such CGSU are optimized.

The results of research are integrated at Orshansky CPP as well as used for GSU-schemes comparative examinations by."BeINlP!energoprom" and applied to scientific research and studies at energy department of Buelorussian polytechnical academy.