автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Выбор параметров ГТУ в схемах газотурбинных надстроек энергоблоков

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

ЭЛЬ АЗХАР АБДЕЛЬХАДИ

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ГТУ В СХЕМАХ ГАЗОТУРБИННЫХ НАДСТРОЕК. ЭНЕРГОБЛОКОВ

05.14.14 — Тепловые электрйческие станции (тепловая часть)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1996

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель: доктор технических паук,

профессор Качан АД.

Официальные опоненты: доктор технических наук,

профессор Бубнов В.П.;

доктор технических наук, профессор Шароваров ГА.

Ведущая организации - БелНИПИэнергопром.

(г. Минск)

Защита состоится " ^ * .....1996 г. в ,

часов на заседании специализированного совета Д 02.05.0! по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027, г. Минск, проспект Ф. Скорииы, 65, ауд. 201 , корп. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БША.

Автореферат разослан щ ..г.

Ученый секретарь специализированного совета, к.т.н., доцент Н.Б. Карницкий

©Эль Аэхар Абдельхади, 1996

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Важнейшей задачей современного этапа развития энергетики является повышение экономичности, и маневренности ТЭС как за счет строительства новых электростанций, так и реконструкции действующих. Последнее имеет особенное значение при дефиците материальных ресурсов на развитие энергетики. Такое положение характерно для многих стран, включая Марокко.

Эффективное решение задачи повышения экономичности и маневренности ТЗС возможно только на основе примененимя новых технологий, в часиости, парогазовых, обеспечивающих не только существенную экономию энергоресурсов, но и снижение капитальных вложений в объекты энергетики, а также сокращение сроков их ввода.

Кроме применения утилизационных парогазовых установок (УПГУ), при реконструкции ТЭС эффективным является применение различных схем газотурбинных надстроек паротурбинных энергоблоков, в особенности при отсутствии гарантированного снабжения энергетики газом и его относительно более высокой стоимости/ что, в частности, характерно для условий Марокко.

Для повышения эффективности газотурбинных надстроек актуальным является их схемио-параметрическая оптимизация, в частности,обоснованный выбор параметров газотурбинной части. Это позволяет существенно Повысить экономичность таких комбинированных установок, а также снизить их капиталосмкосгь.^Важным также является обоснование режимов использования " надстроенных " энергоблоков с учетом соотношения в стоимости топлива, сжигаемого в камере сгорания ГТУ и энергетических котлах.

Указанные задачи решались в настоявдей работе, которая выполнялась в соответствии с "планом НИР каф. ТЭС Белорусской государственной политехнической академии.

Цель работ заключается в обосновании условий наиболее эффективного применения газотурбинных надстроек при реконструкции существующих и строительстве новых ТЭС за счет термодинамической и технико-экономической оптимизации параметров газовой, части возможных схем " надстроенных " ПГУ и выбора режимов их использования с учетом влияния различных факторов, включая и стоимость газотурбинного топлива. ■

Научная повизпа

1. Обоснованы критерии и разработаны методики и. компьютгрная программа термодинамической и технико-экономической отимизаиии параметров ГТУ с учетом технологических особенностей различных схем гай-турбинных надстроек энергоблоков и стоимости используемою топлива.

2. Показано, что при заданной начальной температуре газов оптимальное значение степени повышения давления в компрессоре ГТУ для различных схем газотурбинных надстроек существенно отличается. Если для полузависимых ЛГУ в исследованном диапазоне определяющих факторов технико-экономцчески оптимальная величина % составляет 16-20, то дам " сбросной " схемы она существенно снижается и при отсутствии ограничений по содержанию кислорода в газах после тазовой турбины приближается к величинам, обеспечивающим максимум полезной работы ГТУ.

3. Теоретически обосновано, что для полузависимых ПГУ оптимальное значение % мало зависит от эффективности и глубины утилизации теплоты газов после газовой турбины в цикле паротурбинной установки ( ПТУ ) и определяется в основном уровнем начальной температуры газов, причем положительное влияние роста последней имеет затухающий характер. Это позволяет выделить оптимизацию поверхности газоводяных подогревателей ( ГВП ) в отдельную технико-экономическую задачу. При этом температурный напор на " холодном " конце ГВП высокого давления должен выбираться на уровне 40° С.

4. Предолжена схема газотурбинной надстройки с котлом-утилизатором (КУ) ддя энергоблоков сверхкритического давления, уже отработавших в значительной мере свой ресурс. Преимущество схемы заключается в том, что при выводе " надстраиваемого " блока из работы вновь установленное оборудование может быть использовано в схеме утилизационной ПГУ.

5. На основе использования дисконтированной за время службы ПГУ себестоимости электроэнергии получено условие для выбора режимов использования газотурбинных надстроек в энергосистеме в зависимости от удельных капвложений в схему H стоимости топлива для ГТУ.

Экономическая и практическая значимости

Практическая ценность проведенных исследований заключается в возможности научно-обоснованного выбора параметров ( тнпц ) ГГУ для конкретных схем и условий использования газотурбинных надстроек энергоблоков на этапе их технико-экономического обоснования и сравнения. Ир материалам работы можно также повысить эффективность использования существующих газотурбинных установок, в частности, ГТУ, установленных на ТЭС " Жорф " Марокко.

Сй£ЯИ»те Q. црактичедю»» .использовании И Зфрбцрованш!

Результаты работы используются при анализе вариантов реконструкции ТЭС Беларуси с применением газотурбинных надстроек, а также в учебном процессе каф. ТЭС БГПА.

Материалы работы докладывались на научно-технических конференциях Белорусской государственной политехнической академии в 1993-1995 годах. По результатам исследований опубликованы три статьи.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения № списка литературы из 102 наименований.

Положения, которые выносятся на защиту

1. Критерии и методики оптимизации параметров ГТУ в различных схемах газотурбинных надстроек энергоблоков.

2. Результаты термодинамической и технико-экономической оптимизации параметров газотурбинной части " надстроенных " ПГУ в зависимости от основных определяющих факторов.

3. Предложенная схема газотурбинной надстройки энергоблоков, уже отработавших в значительной мере свой ресурс.

4. Методика и результаты обоснования режимов использования " надстроенных " ПГУ В энергосистеме.

Содержание работы

В.первой, .главе приводится- литературный обзор состояния вопроса, анализ особенностей различных схем газотурбинных надстроек , области их применения и делается постановка задачи исследований.

Во второй..главе дается качественный анализ влияния параметров ГТУ на показатели" надстроенных ПГУ й производится обоснование критериев оптимизации параметров газотурбинной части схем.

Исходя из показателей экономичности обособленно работающих ГГУ и паротурбинных установок (ПТУ), с учетом дополнительного эффекта , достигаемого за счет утилизации теплоты газов после газовой турбины в количестве фут В цикле ПТУ, было получено обобщенное выражение КПД " надстроенных " ПГУ, а также выражение для определения экономии топлива за счет газотурбинной надстройки энергоблоков , которое имеет вид

¿бе-Л^ + (О

где 0,123 - топливный эквивалент 1 МБъч теплоты в тоннах условного топлива; Ыпту - мощность ПТУ в МВг; А= Ыггу/Ыгпу - энергетический коэффициент комбинированного цикла, равный отношению мощности ГТУ и

ПТУ; Т|г - электрический КПД ГГУ, найденный без учета эффекта от утилизации теплоты уходящих газов Рут после газовой турбины; ¿пту - удельный расход условного топлива на выработку электроэнергии ПТУ при условии ее обособленной работы (без учета использования в схеме ПТУ теплоты Рут); дЬ - экономия условного топлива, достигаемая за счет использования в схеме ПТУ I МВт-ч теплоты Рут; я"уг = О^г/Ыпу- относительная величина утилизируемой теплоты.

При выводе (I) принято, что удельный расход топлива на замещающей КЭС энергосистемы Ь>а* = Ьпту.

Значение ДЬ' будет наибольшим для той части теплоты рут , которая непосредственно передается рабочему телу ПТУ, в частности для теплоты охлаждения сбрасываемых в котел газов в его поверхностях нагрева, а также для теплоты, используемой для дополнительного (сверх номинального) подогрева питательной воды перед котлом. При вытеснении за счет теплоты газов регенеративных отборов ПТУ значение ДЬ'снижается, в особенности при вытеснении отборов на подогреватели низкого давления, и будет определяться коэффициентом ценности теплоты (КЦТ) вытесняемых отборов.

Анализ (1) показывает, что электрический КГ1Д ГГУ является важнейшим, но не единственным фактором, определяющим эффективность схем газотурбинных надстроек. Существенное влияние на величину экономии топлива оказывает значение ДЬ'( или коэффициент эффективности утилизации теплоты газов в цикле ПТУ) и величина с^т . Последняя непосредственно определяется параметрами ГТУ - степенью повышения давления в компрессоре як и начальной температурой газов , а также глубиной утилизации теплоты газов-г температурой уходящих газов 1ух после утилизационных установок.

Поэтому термодинамически оптимальные параметры ГТУ в схемах газотурбинных надстроек будут отличаться от величины их для одноцелевых ГГУ и должны определяться в общем случае из условия обеспечения максимума экономии топлива в энергосистеме с учетом ограничений по мощности ГГУ (величины коэффициента А) в конкретных схемах "надстроенных" ПГУ.

Для схемы со сбросом газов после газовой турбины в паровой котел энергоблока мощность ГТУ будет ограничиваться в первую очередь не величиной утилизируемой теплоты рут , а количеством кислорода ("свободного " воздуха Оси) в уходящих газах, необходимым для окисления топлива в паровом котле. Поэтому в качестве критерия термодинамической оптимизации параметров ГТУ для "сбросных" ПГУ принята удельная на (единицу "свободною" воздуха) экономия топлива.

Рс= ЛВэк/о/в = (Взам-Впгу)/ о£ , (2)

где Взам, Вшу - расход условно! о топлива в схеме замещения и в ПГУ.

Для полузависимых ПГУ мощность ГТУ определяется в первую очередь необходимым расходом теплоты газов для вытеснения отборов пара

на подогреватели высокого давления (ПВД) ПТУ. Поэтому в случае разработки таких схем для новых ПТУ в качестве критерия выбора термодинамически оптимальных параметров ГТУ был принят критерий

ОПЬ

F= ДВэк/Qyr , (3)

опр гТ

где Qyr - определяющая часть теплоты Qyr , которая используется для вытеснения отборов пара на ПВД ПТУ.

При этом критерий F должен максимизироваться с учетом одновременной огггимизации температурного напора на "холодном" конце газоводяного подогревателя (ГВГТ) высокого давления, от величины которого зависит доля QyTот всей утилизируемой теплоты Qyr.

В случае исполнения ПГУ на базе существующих ПТУ необходимо учитывать наличие ограничений на пропускной способности проточной части паровой турбины. Поэтому для таких ПГУ критерий F определяется через всю величину утилизируемой теплоты QyT,t.e. как

F= ДВэк/Qyr . (4)

В случае схем газотурбинных надстроек с подачей пара из котла - утилизатора (КУ) в промежуточную точку цикла ПТУ, ввиду наличия различных технических ограничений как по требуемым параметрам получаемого в КУ пара, так и. по его расходу, выбор ГТУ следует осуществлять для конкретных схем газотурбинных надстроек исходя из обеспечения максимальной общей величины экономии топлива ДВэк или ее относительного (на единицу топлива, расходованного в камере сгорания ГТУ) значения

дВэк= ДВэк/Вгту. (5)

Технико-экономически оптимальные параметры ГТУ в схемах "надстроенных" ПГУ удобно определять, приняв за исходную величину их термодинамически оптимальные значения. Критерием такой оптимизации будет максимум изменения приведенных затрат 43j-o при j-ом и исходном значениях выбираемого параметра, например, степени повышения давления воздуха в компрессоре Як . В общем виде

эк

&3j-o= дК)-о(Ен+ра) - AHj-o ( (6)

где AKj-o , AHj-o - уменьшение капитальных вложений в элементы ИГУ и увеличение топливных затрат в энергосистеме при переходе от исходного (термодинамически оптимального) к j-ому значению параметра; Пн+ра

- сумма коэффициентов нормативной эффективности капитальных вложений и амортизационных отчислений.

В-теи>_?Й .главе приводятся методические основы и схема алгоритма расчетов оптимальных параметров ГТУ в схемах газотурбинных надстроек энергоблоков.

В оптимизационных исследованиях была использована компьютерная про1рамма расчета высокотемпературных ГТУ с открытым воздушным охлаждением, позволяющая определит^ характеристики ГТУ в зависимости от основных определяющих параметров - степени повышения давления б компрессоре як, начальной температуры газов и коэффициента потерь давления в тракте ГТУ.

С использованием результатов расчета ГТУ термодинамическая эффективность "сбросной" схемы при заданном КПД замещающей станции Т}зам определялась через критерий Рс(2), преобразованный к виду

р _ /Угта (1/?зйм - У?гте) + <гГ ' (

[як - М™ ' . 1о1 о/ ц к ¡?э ЮР ц

где К>ф - коэффициент эффективности использования теплоты цикле ПТУ; вк - расход воздуха через компрессор ГТУ; Ьо - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания натурального топлива в камере сгорания ГТУ; С^н у.т, С>н нат - теплотворная способность условного и натурального топлива.

В расчетах определялись режимы с предельно минимальным содержанием кнелорода'в газах после газовой турбины, заданным из условия устойчивого сжигания топлива в котле.

Для полузависимой схемы ПГУ теоретически была показана слабая зависимость термодинамически оптимальных параметров ГТУ от коэффициента эффективности утилизации теплоты газов % в цикле ПТУ. Это было произведено на основе исследования на экстремум критерия Р (4) доя полузависимой ПГУ, преобразованного к виду

■ г--1 ' <8)

где - КПД ГТУ, найденный с учетом исключения из расхода теплоты на ГТУ величины Оуг, используемой в схеме ПТУ.

Анализ показал, что при постоянной величине х ' значение этого коэффициента сказывается только на абсолютной величине Г, но не изменяет термодинамически оптимальных параметров ГТУ. Однако при изменениии параметров ГТУ может измениться само абсолютное значение х. например, из-за увеличения доли утилизируемой теплоты, идущей на вытеснение отборов низкого давления ПТУ. Поэтому для большей достоверности критерий Р находился непосредственно из (3) или (4) по данным расчетов 1ТУ н с учетом возможного изменения % . '

Утилизационные установки (УУ) " надстроенных "ПГУ (ГВП или КУ) являются теплообменниками с преобладающим конвективным теплообменом. Поэтому в технико-экономических расчетах их стоимость определялась через стоимостное выражение комплекса кР ( к - коэффициент теплопередачи, Р - поверхность нагрева), т.е. стоимость УУ находилась как

Куу= р. Скт/ЛЬ,, (9)

где <2 - тепловая нагрузка УУ; Скр- стоимостное выражение комплекта кР; Д1ср - приведенная величина средне логарифмической разности температур в поверхностях нагрева УУ.

По имеющимся данным ФРГ среднее для КУ значение Скр составляет 5$ град/Вт. В настоящих расчетах величина Скг изменялась в пределах 2-8 $ град/Вт.

При оценке влияния сопротивления УУ на выбор параметров 11 У оно принималось зависящим от суммарной поверхности УУ в степени 0,5 и 1. В расчетах учитывалось также изменение удельной стоимости ГТУ в зависимости от як и мощности.

В, четаертой. главе приведены основные результаты термодинамической оптимизации параметров ГТУ в схемах газотурбинных надстроек.

Расчеты критерия Рс (7) для "сбросной" схемы показали, что оптимальная степень повышения давления воздуха в компрессоре мало зависит от коэффициента эффективности утилизации теплоты газов К>ф и температуры уходящих газов ^ , которые в расчетах изменялись в диапазоне 0,8-0,95 и 80-140° С, соответственно.

Основное влияние на выбор я* оказывает начальная температура газов Тз. Оптимальное значение Я* возрастает с увеличением Т> И в нсследован-ном диапазоне Т}=1173-1473К находится в диапазоне 9-12. Это иллюстрируется рис.1.

На рис.1 пунктирные линии 5,6 и 7 соединяют точки с содержанием кислорода в газах после газовой турбины соответственно 16, 15 и 14%.

Как видно, при Тз < 1273 К условие поддержания такого содержания кислорода в газах не создает ограничений по выбору ?ск. Однако при более высоких значениях Тз по этой причине потребуется увеличение Як против ее оптимальной величины. Поэтому, как видно из рис.1, увеличение Т< свыше 1373К в рассмотренной схеме может оказываться малоэффективным.

Полученные относительно низкие значения Я* , приближающиеся к значениям этого параметра, соответствующим максимуму полезной работы ГТУ, согласуются с данными других исследователей.

В работе дан также порядок выбора расхода газов и мощности ГТУ для "сбросной" схемы ПГУ;

Зависимость критерия Рс от степени повышения давления воздуха в компрессоре и начальной температуры газов Т, при КЭФ=0,85 и ТУХ=373К

1.4 кг/КГ

1.2

Л

Рс'Ю

1.0

,2

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

( У / *

и-'"'' >Чч4

г / Ч^з

* * * 1

\л

12

15

18. 21 Рис. 1;

24

1. Т3=1173К

2. Т3=1273К

3. Т3=1373К

4. Т/=1473К

5. 16%

6. 15% 02;

7. 14% 02

27

30

Выбор термодинамически оптимальных параметров ГТУ для полузависимых ИГУ производился для двух вариантов выполнения ПГУ по этой схеме, при определении критерия Р соответственно по (3) и (4).

Для первого варианта выполнения полузависимых ПГУ термодинамически оптимальные значения Лк получаются достаточно высокими, на уровне 27. Для второго варианта ПГУ (при использовании действующих ПТУ с ограниченной пропускной способностью проточной части паровой турбины) оптимальные значения я* несколько снижаются и составляют около 22.

Численные расчеты показали, Что при обоих вариантах выполнения полузависимых ПГУ оптимальные значения Я* мало зависят от значения коэффициента % и температуры уходящих газов после УУ, что подтверждает теоретически обоснованную выше слабую зависимость оптимальных параметров ГТУ от эффективности и глубины использования утилизируемой теплоты газов.

Оптимальные значения Л* возрастают с увеличением начальной температуры газов 11 . Причем положительное влиянме роста Ъ на величину критерия И имеет' затухающий характер и наблюдается при увеличении 1з только примерно до !20(РС. При дальнейшем увеличении Ьз из-за соответствующего роста температуры газов после газовой турбины и и уменьшения требуемого из баланса ГВП расхода газов может произойти снижение мощности ГТУ и величины общей экономии топлива. "Гаким образом, достаточно высокую эффективность полузависимых ИГУ можно обеспечить при применении ГТУ с уже освоенным уровнем начальной температуры газов.

В работе исследовано также влияние на выбор параметров ГТУ температуры газов ^ после ГВП высокого давления (или температурного напора на "холодном" конце этого ГВП). Для этого вначале был произведен расчет оптимальной температуры ^ для случая надстройки блоков сверхкритического давления (при температуре питательной воды на входе в ГВП высокого давления около 170° С).

Модель расчета оптимальной величины Ц из условия единичного расхода газа через ГВП (при Ог -1 кг/с), что справедливо при подборе серийно выпускаемых ГГУ ( с заданным значением Ог) для конкретной схемы газотурбинной надстройки имеет вид

= иг - к) ., а, - у хя1 ~

Из расчета ( МВт тепловой нагрузки ГШ! высокого давления модель записывается в виде

лЗр2 = Цг . . -

• Л*-Л*

/с ,, 10 г ^Х-^С1П

здесь Цт - стоимость топлива , выраженная на кВт.ч его теплотворной способности, принято Цт=0,012 дол, США/(кВт,ч); 1ь, Ьу* - энтальпня газов при температуре их после газовой турбины, ПШ высокого и низкого давления, соответственно; Ьуст - число часов использования установленной мощности ГТУ; %и %2- коэффициенты эффективности использования теплоты газов в ГВП высокого и низкого давления; Д^рь АЦрг - средне-логарифмическая разность температур в тех же ГВП; Ck.fi, Сккг - стоимостное выражение комплекса Кр для ГВП высокого и низкого давления.

Проведенные расчеты показали, что при применении обеих моделей оптимальное значение ^ составляет около 210°С, что для блоков сверхкритического давления соответствует температурному напору на "холодном" конце ГВП высокого давления 51 « 40° С.

Расчеты, проведенные далее при значениях = 180° и 210° С, показали, что влияние 1х на оптимальные параметры ГГУ является несущественным, т.е. оптимизация характеристик (поверхности) ГВП высокого и низкого давления может рассматриваться в качестве отдельной задачи.

Выбор параметров ГТУ в схемах газотурбинных надстроек с КУ усложняется, так как необходимо учитывать возможные ограничения по расходу и параметрам пара, подаваемого из КУ в паровую турбину.

Термодинамически оптимальные значения тг*. обеспечивающие максимум критерия термодинамической эффективности в этой схеме (АВж), находятся в диапазоне 16-21, причем, как и для полузависимой схемы, влияние Ту, на значение Як является относительно слабым.

В отличие от полузависимых ПГУ в схеме надстройки с КУ эффект от повышения начальной температуры газон хотя и замедляется с ростом 1з, но сохраняется положительным во всем исследованном диапазоне начальной температуры газов Ь =Ю00-1300°С. Это объясняется положительным влиянием увеличения Ь как на электрический КПД ГТУ, так и на величину ее удельной мощности.

Повышение начальной температуры газов может обеспечить также технико-экономический эффект за счет уменьшения пароперегревательных поверхностей нафева котла-утилизатора. Эш в особенности "важно в случае необходимости получения в КУ пара с достаточно высокий температурой перегрева, например, при подаче пара из КУ в линию горячего промпере-греиа энергоблока.

В целом при выборе параметров 1ТУ для рассматриваемой схемы может возникать ряд технических ограничений (по глубиие и способу утилизации 0£г по заданной температуре пара, получаемого в КУ и др.). Поэтому вы-

бор ГТУ для таких схем следует производить индивидуально с учетом конкретных особенностей выполнения схемы газотурбинной надстройки.

В. пятой .главе рассмотрены особенности выбора параметров ГТУ в схемах "надстроенных" Г1ГУ с учетом некоторых технико-экономических факторов, а также произведен анализ возможности использования ПГУ в базовом режиме с учетом стоимости сжигаемого в ГТУ топлива.

Технико-экономически оптимальные значения Як для полузависимых ПГУ могут существенно снижаться против термодинамически оптимальных величин, так как при уменьшении я* появляется возможность увеличения температурных напоров в поверхностях ГВП и соответственно уменьшения их стоимости.

В соответствии с (6) экономия приведенных затрат при снижении Я* от термодинамически оптимальных значений определялась по модели

Ь'Рисх) ^к-р + (^ ~

иск

где Ыпу , Игту j - мощность ГТУ при исходном (термодинамически оптимальном) и ом значении Як ; Ку", Куд) - соответствующие удельные капвложения в ГТУ, КуГ - удельные капвложения в замещающую КЭС энергосистемы.

Расчеты ДЗР но (12) были произведены применительно к надстройке блока 300 МВт при стоимости топлива ЦТг=60 дол. США/т у.т, числе часов использования установленной мощности ПГУ Ьжт=6000 часов и различных

_ ш~исх ц-зан

значениях С кг, а также Куд и Куд.

' Для примера результаты расчетов, произведенных для различных значений Скг при КУТ" =240 дол. США/кВт и К$м =1000 дол. США/кВт приведены на рис.2 .

Как видно, при этих условиях технико-экономически оптимальные значения як снижаются примерно до 18 при Скр=8 дол. США. град/В^ и до 20 при Скг=5 дол, США-град/Вт. При СкХ=2 дол. США фад/Вт значение я» сохраняется практически на термодинамически оптимальном уровне. При среднем значении Скг и принятом в этих расчетах соотношении Куд1V Куд" = 0,24 следует выбирать ГТУ с л*«20, ^

' Расчеты показали, что при увеличении соотношения Куд? Куд в 2,6 раза оптимальное значение Як для средней величины Скг=5 дол. США град/Вт снижается до 16. Таким образом, в исследованном диапазоне определяющих факторов оптимальное значение Як для полузависимых ПГУ находится в пределах 16-20 (как для первого, так и для второго вариантов выполнения

Зависимость расчетных затрат от комплекса СКР

Рис. 2

схемы). При чем влияние сопротивления УУ на выбор я* оказалось небольшим.

Технико-экономнчсски и термодинамически оптимальные параметры ГТУ в "сбросной" схеме не могут существенно отличаться, так как температура газов перед дополнительными УУ определяется характеристиками надстраиваемого энергетического копта, те. стоимость УУ непосредственно не связана с параметрами ГТУ.

Схема газотурбинной надстройки с КУ в настоящей работе рассматривалась применительно к надстройке энергоблоков, уже отработавших в значительной степени свой ресурс. В этом случае схема с КУ имеет определенные преимущества, так как при выводе энергоблока из работы дополнительно устанавливаемое оборудование (ГТУ и КУ) может использоваться в схеме утилизациоикой Ш'У (УПГУ). Поэтому при надстройке таких блоков следует применять 1ТУ и КУ из Проектов УПГУ.

Применительно к надстройке блоков 300 МВт нами использованы ГТУ и КУ из Известного проекта УШ"У - 325 МВт. Схема такой надстройки приведена на рис.3. Она применима , в частности , для Лукомльской ГРЭС Беларуси.

При реализации данной схемы с целью получения требуемой температуры пара после КУ (равной температуре пара на входе в цилиндр среднего давления энергоблока) может потребоваться дожигание топлива перед КУ. Целесообразность такого решения определялась через КПД нетто ГТУ, полученный при условии отнесения всего эффекта от утилизации теплоты газов в цикле ПТУ на экономичность ГТУ

.у

= -*-------1-----(1. , (13ч

' <>-гц }ут1 7 * у* 'гр 10ХЛ

те (¡¡,сп - доля дополнительного подвода теплоты за счет дожигания топлива перед КУ от величины %г;. 'Игр - КПД транспорта теплоты в паре от КУ к ПТУ; Г|мт - КПД, учитывающий потерн теплоты в КУ; К« - доля расхода электроэнергии па собственные нужды.

Расчеты показали, что дожигание топлива не обеспечивает положительного эффекта. Поэтому в данной схеме требуется применение ГГУ с повышенной температурой газов после газовой турбины. Перспективным представляется. в частности, применение появившихся в последнее время ГТУ с двумя камерами сгорания.

Анализ возможности использования "надстроенных" ПГУ в качестве базовой мощности с учетом более дорогого топлива для ГГУ производился с использованием себестоимости элтроэнергаи, полученной по действующей в странах с рыночной экономикой методикой ее расчета с дисконтированием затрат и прибыли. В итоге в зависимости от среднегодовых выплат банку, найденных с учетом банковского процента и процента инфляции, и соотношения Кт в стоимости топлива дДя ГТУ и замещающей ЮС получено выражение для предельной разности в удельных капвложениях .в замещающую станцию и газотурбинную надстройку, при которой

Принципиальная схема газотурбинной надстройки блока 300 МВт

Рис. 3

1,2- поверхности нагрева котла - утилизатора высокого и низкого давлений;

3 - питательный насос котла - утилизатора;

4 - подогреватели низкого давления;

5 - подогреватели высокого давления

"надстроенные" ПГУ могут рассматриваться как установки базового назначения. _ • '

Применительно к станции "Жорф" Марокко, показано, что имеющиеся там ГТУ целесообразно использовать для надстройки блоков по полузависимой схеме вместо строительства замещающей базовой ЮС при Кт< 1,65.

.Заключение

1. Критерии выбора термодинамически оптимальных параметров ГТУ в схемах газотурбинных надстроек энергоблоков должны обосновываться с учетом особенностей этих схем.

В качестве критерия термодинамической эффективности в " сбросной " схеме следует принимать экономню топлива в энергосистеме на единицу " свободного " ( не участвующего в горении в камере сгорания ГТУ ) воздуха .

Для полузависимой схемы в качестве такого критерия при создании ПРУ на базе новых ПТУ выбрана экономия топлива в энергосистеме на единицу определяющей части ( расходуемой на вытеснение ПВД энергоблока ) утилизируемой теплоты газов после газовой турбины .

В случае использования действующих ПТУ ( с учетом ограничений по расходу пара через паровую турбину ) этот критерий находился как экономия топлива в энергосистеме, отнесенная к общей величине утилизируемой теплоты газов.

Для схем газотурбинных надстроек с котлами - утилизаторами ( КУ ), ввиду наличия ¡различных технических ограничений по параметрам пара, получаемого в КУ, и многообразия возможных решений по использованию этого пара в цикле ПТУ, выбор параметров ГТУ должен производится по абсолютной или. относительной экономии топлива на основе сравнения возможных для применения типов ГТУ.

2. Разработанная методика технико-экономической оптимизации параметров ГТУ, основанная на расчете переменной части приведенных затрат при изменении параметров ГТУ от термодинамически оптимальных, позволяет сократить объем расчетов и выявить физическое влияние отдельных факторов На выбор параметров газовой части схемы. Методика позволяет производить расчеты с учетом разности в стоимости топлива, используемого в ГТУ и в котле " надстраиваемого " энергоблока.

3. Термодинамически оптимальные параметры ГТУ, прежде всею степень повышения давления воздуха в компрессоре Я* . существенно зависят от схемы " надстроенных " ПГУ.

, Для " сбросной " схемы при начальной температуре газов в ГТУ

= Ю00-1200"С оптимальная величина Л* составляет 10-12, т.е. ирибли-

жается к значению ее , обеспечивающему максимум полезной работы ГТУ. С учетом возможного ограничения по предельному содержанию кислорода в уходящих газах ГТУ на уровне 14-16% значение пк повышается до 14-15.

Термодинамически оптимальное значение 7ГК для полузависимой схемы" находится в пределах 20-26. Увеличение оптимального значения пх в этой схеме объясняется тем, что при этом возрастает расход газов, необходимый ппя обеспечения заданной тепловой нагрузки на подогрев, питательной воды , и соответственно мощность ГТУ. По этой же причине положительное влияние роста начальной температуры газов имеет затухающий характер. При всех случаях выполнения полузависимой схемы термодинамически оптимальное значенйе 71к мало зависит от эффективности использования утилизируемой теплоты в цикле ПТУ и определяется в основном начальной температурой газов перед газовой турбиной. Это было показа.но аналитически и подтверждено расчетами на ЭВМ.

4. Техннко-экономнчески оптимальные значения 1СК для полузависимой схемы с учетом комлексного влияния всех определяющих факторов, прежде всего, в зависимости от удельной стоимости газоводяных подогревателей (ГВП) и мощности ГТУ, снижаются до 16-20. При этом в случае надстройки энергоблоков сверхкритнческого давления температура газов после ГВП высокого давления, вытесняющего ПВД ПТУ, должна выбираться на уровне 2!0ЧС. т.е. исходя из температурного напора на " холодном " конце ГВП высокого давления около 40° С.

5. Схемы газотурбинных надстроек с КУ имеют определенные преимущества для реконструкции энергоблоков, уже отработавших в значительной мере свой ресурс, гак как при выводе блока из работы, вновь устанавливаемое оборудование может использоваться в схеме утилизационной ПГУ. Оптимальные параметры ГТУ в схемах с КУ необходимо выбирать аналогично как для упшизационных ИГУ. Исследования показали, что при подаче пара из КУ на вход ЦСД паровой турбины применение дожигания топлива перед КУ для обеспечения заданной высокой (на уровне 545° С ) температуры пара, получаемого в КУ, приводит к снижению тепловой экономичности схемы. Поэтому для таких схем необходимо выбирать ГГУ с высокой начальной температурой газов 1з и. соответственно повышенной величиной температуры газов после газовой турбины, позволяющей обеспечить необходимую температуру пара в КУ без дожигания топлива.

6. Разработанная на основе использования дисконтированной за срок Службы П1"У себестоимости отпуска электроэнергии методика позволяет обосновать режим использования " надстроенных" ПГУ с учетом соотношения в стоимости топлива Кт, используемого в ГТУ и энергетических котлах.

В результате исследований получено предельное соотношение в удельной стоимости реконструкции энергоблоков и удельных капвложений в замещающую ТЭС, при котором возможно использование "надстроенных" ПГУ в базовом режиме при заданной величине Кт.

Показано также, что в условиях ТЭС "Жорф" Марокко существующие на этой станции ГГУ можно использовать для создания полузависимой ПГУ базового назначения при величине Кт < 1,65.

Публикации по теме диссертации:

1. Качан АД., Маджед Сбейх Махамнд, Эль Азхар Абдельхадн. Сравнение расходных характеристик и выбор схем ПГУ при расширении КЭС/ Деп.во ВИНИТИ, №265-В94, от 28.01.94.

2. Качан АД. , Эль Азхар Абдельхадн. Методические основы и результаты выбора термодинамически оптимальных параметров ГТУ в схе -мах газотурбинных надстроек энергоблоков/ Материалы международной 51-ой научно-техничкской конференции БГПА. Часть1. - Минск, 1995.

3. Качан А. Д, Качан С. А, Эль Азхар Абдельхадн. Выбор термодинамически оптимальных параметров ГТУ в схемах тазотурбинных надстроек энергоблоков со сбросом газов в паровой котел/ Сборник научных трудов БелНИПИэн.рюпром. Теплофикация и теплоснабжение. -Минск, (996.

РЕЗШЕ

Эль Агхвр Абдельхади. " Выбор параметров ГТУ в схемах газотурбинных надстроек энергоблоков"

Ключевые слова : оптимизация, параметры ГТУ, степень повышения давления, компрессор, газотурбинная надстройка, коэффициент эффективности, котел-утилизатор, режим использования.

Обоснованы критерии и разработана методика оптимизации параметров газовой части в схемах газотурбинных надстроек энергоблоков, позволяющая учитывать технологические особенности различных схем. Показано, что термодинамически оптимальная степень повышения давления в компрессоре ГТУ их в различных схемах газотурбинных надстроек энергоблоков существенно отличается. Для полузависимых схем она получается существенно большей, чем для схемы со сбросом в паровой хотел. Положительное влияние роста начальной температуры газов в полузависимой схеме имеет затухающий характер. В этой схег ме оптимальное значение пк мало зависит от коэффициента эффективности использования утилизируемой теплоты в цикле ПТУ и определяется в основном начальной температурой газов. Получены результаты технико-экономической оптимизации параметров ГТУ с учетом комплексного влияния определяющих факторов. Предложена схема газотурбинной надстройки с котлом-утилизатором для энергоблоков сверхкритического давления, уже отработавших в значительной мере свой ресурс. Показано, что в этой схеме целесообразным является применение ГТУ с повышенной начальной температурой газов. Разработана методика обоснования режимов использования " надстроенных " ИГУ в энергосистеме в зависимости от стоимости топлива, используемого в ГТУ и энергетических котлах.

ГОЗШВ

Эль Азхар Абдельхадзк "Выбар параметра^ ГТУ схемах газа-турбшавых надбудовау энергаблокау"'

Ключавьш словы: аптым5зацык, параметры ГТУ, ступень павышэн-ня uicny, кампрэсар, газатурбшавая надбудоука, каяф'щыент офок-тыунаиу, кадел-утыл)затар, р»жьш выкарыст^зЬзанля.

Абгрунтаваны крытэры i i риспрацавшт методика аптым!зицы1 параметра,? газавай частк! у схемах гцзатурбшавых надбудсвак, якая даг»-валяе прымоць лад увагу тохналапчныя асабл'тапщ роаных схем. Пака-зала, што тэрмадьгаам1чна аптьшальная ступень павышэння ц'юну $ камлрзсары ГТУ 7t4 у розных схемах газатурбшавых надбудовцк энергаблокау ¡croma адрозжвиецца. Для паузалежпых cxiím mía етры-мо^ваецца злачна большей, чым для схем са ешдваннем гааау ГТУ у иаравы кацел. СтаноУчы уллы$ лапшпчоннн пачатковай тэыпоратуры газау у паузалежнай схеме мае ттслабляючы характар. У гэтаЙ схеме аптьшальная яел!чыня пя мал а залежьгць ад каэф1цыента эфекты^иааи выкарыстання утыл'туемай у цыкле 11ТУ цеплыш i абумоул'шаецца ^ асно^ным пачатковай тЗмпературай газа#. Агрыманы «boiiiti тэхн'ша-^KoíittMÍMiiail здтьипзацьп ГТУ а уликам камплекснига ^пльгау абу-моушваючых фактара^. Праланавана схема газатурбшавай надбудозЬн з катлом-утыл'.затараМ для омсргаблока} авышкрытычиага uicny, iwia ужа адпрацавал! у значнай мерц уласны рэсуре. Пзкааана, што р гэтам схеме мзтазгодньш з'я^ляецца прьшяненне ГТУ з шзышамай пачатковай тэмпературай raaají. Распрадавана методика абгрунтаиання рэжымау выкарыстання "надбудаваных# ПГУ Jí ouepracicTOMe J залеж-насгц ад кошту пал1ва)нкое ^жывиеида $ ГТУ i виергетычных катлах.

SUMMARY

ELAZHAR Abdelhadi. * Selection of parameters of gas turbine units topping the power plants "

Key words: optimization, gas tùrbine topping units, compressor, waste-heat boiler, parameters of gas turbine units (GTU), compressor pressure ratio, coefficient of effective, operating regime.

The criteria and method, of gas turbine' topping units parameters optimization am worked out. This allows the account of variations power plant operation conditions. It shows that thermodynamic optimum of compressor pressure ratio Tt, value is a function of topping layout. The semi-depéndent layout cycle of power plants using the gas heat, for feedwater preheating, is considerably higher than the same value refereed to as fully fired combined cycle power plant (CCPP) using the gas as an air combustion in common boiler. Positive influences causing the increase of the inlet temperature of the gases in the serni-dependent layout, possesses a regular character. On this layout, the optimum value of ît.k partially depends on coefficient of effective usage oi the utilising temperature in the steam turbine units (STU) cycle, which is usually found by the inlet temperature of the gases. As. applied to the existing supercritical pressure steam power plants which have nearly run out their life time, the gas-turbine topping cycle with unfired waste-heat boiler is suggested. It is show that, this layout using GTU with higher stoi-ting temperature are more purposeful. Method of choosing the operating regime the use of topping CCPP in the system energy, pending on the fuel cost has been worked out.

ЭЛЬ АЗХЛР АБДЕЛЬХАДИ

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ГТУ В СХЕМАХ ГАЗОТУРБИННЫХ НАДСТРОЕК ЭНЕРГОБЛОКОВ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

_______Редактор Т.Н.Микулик______

Подписано в печать 15.05.96. Формат 60x84 l/Гб. Бумага тип. № 2. Офсет, печать.

_Усл.печ-л. 1,3. Уч.-изд-л, 0.9. Тнр. 100. Зак. 344.__

Издатель и полиграфическое исполнение." Белорусская государственная политехническая академия. Лицензия JIB № 1049. 220027, Минск, пр. Ф.Скорины, 65.