ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Проблема технического совершенствования российской электроэнергетики в последнее время превратилась из отраслевой в общероссийскую. Модернизация и обновление оборудования генерирующих энергообъектов разных форм собственности являются для нашей страны важнейшими экономическими задачами.

Многие проблемы российской теплоэнергетики могут быть решены в результате ускоренного и крупномасштабного внедрения технически прогрессивных газотурбинных и парогазовых технологий. Однако этому препятствует дефицит инвестиций в энергетическую отрасль. Вместе с тем, на фоне проявившегося в последние годы экономического роста появились инвесторы, готовые финансировать проекты создания и реконструкции энергообъектов малой и средней мощности. Объектом исследования в данной статье являются ПГУ КЭС с котлом-утилизатором одного давления (далее – с одноконтурным котлом-утилизатором), генерирующим пар с умеренными начальными параметрами. Мощность газотурбинных агрегатов, на базе которых создаются ПГУ, не превышает 25 – 30 МВт. Эти ПГУ имеют простую тепловую схему (ðèñ. 1, à ), для них требуются меньшие капиталовложения по сравнению с установками на базе котлов-утилизаторов с двумя и тремя уровнями давления генерируемого пара и они вырабатывают электроэнергию с КПД брутто до 50%.

На стадии формирования тепловых схем парогазовых установок возникает вопрос о тепловой экономичности и экономической целесообразности тех или иных технических решений. Учитывая широкий спектр характеристик газотурбинных агрегатов, задача оптимального сочетания параметров элементов, входящих в состав ПГУ, должна решаться индивидуально с учетом конкретных технических и экономических особенностей проекта. Тем не менее, существует необходимость уже на стадии предпроектных разработок обеспечить специалиста рядом методических положений и рекомендаций, позволяющих без выполнения трудоемких расчетов такой сложной системы, как ПГУ, формировать наиболее оптимальные варианты для дальнейшей детальной проработки.

Первым и важнейшим этапом общего техникоэкономического исследования является оптимизация с точки зрения тепловой экономичности. Как известно [1], КПД брутто производства электроэнергии ПГУ КЭС с котлом-утилизатором (КУ) без дожигания можно определить из выражения

ãäå N ãý, N ïý – электрическая мощность соответственно ГТУ и ПТУ в составе ПГУ, МВт; Qãñ – теплота топлива, сжигаемого в камере сгорания ГТУ,

ности ГТУ по сравнению с эксплуатацией в авто-

носительной мощности ПГУ (доля мощности газовой ступени в схеме ПГУ); ýã.àâò – электрический КПД ГТУ в автономном режиме.

Âбольшинстве случаев при проектировании ПГУ с КУ исходным элементом является газотурбинная установка, на базе которой происходит разработка схемы в целом. Для конкретного типа энергетической ГТУ повышение электрического КПД ПГУ определяется, в первую очередь, увели- чением электрической мощности паровой ступени установки и на это ориентирована оптимизация начальных параметров пара ПГУ КЭС. Начальные параметры пара, генерируемого в КУ, следует оптимизировать по отношению к электрической мощности ПТУ так, чтобы максимальная тепловая экономичность ПГУ КЭС соответствовала максимальному значению этой мощности. Данное положение справедливо для ПГУ с КУ независимо от числа контуров (уровней) давления.

Âобщем случае (если пренебречь наличием отбора пара на деаэратор) электрическая мощность ПТУ определится из выражения (вариант с одноконтурным КУ)

ãäå Dïå – расход пара на паровую турбину, кг с;

– теплопадение, срабатываемое паром в про-

точной части паровой турбины, кДж кг; ýì – электромеханический КПД ПТУ.

Основной особенностью поиска оптимальных начальных параметров пара ПГУ КЭС с КУ является наличие зависимости расхода генерируемого пара от его параметров. Теплопадение, срабатываемое в ПТ, также зависит от начальных параметров пара. Для широкого диапазона изменения параметров зависимости расхода пара и теплопадения в ПТ имеют противоположно направленный

характер, что позволяет утверждать: функциональная зависимость N ïý от начальных параметров пара является гладкой и имеет оптимум [2].

Условие существования этого оптимума полу- чаем из уравнения

ãäå S – удельная энтропия, кДж (кг К).

Из уравнения (3) вытекает соотношение вели- чин, имеющее место в точке оптимума,

пара. Характер этой зависимости подробно описан

â[3, 4].

Ñцелью выявления наличия и степени влияния параметров генерируемого в КУ пара на характер изменения тепловой экономичности парогазовых установок с одноконтурными КУ были проведены исследования показателей ПГУ КЭС на базе ГТУ различных типов: ГТГ-15 (НПО “Машпроект”),

ГТЭ-20 55СТ (ЗАО “Энергоавиа”), ГТУ-16ПЭР (ОАО “Авиадвигатель”), GT10B (Alstom) (таблица). Указанные типы газотурбинных агрегатов были выбраны с целью охвата диапазона температур выхлопных газов, характерных для ГТУ малой и средней мощности.

Показатели экономичности тепловой схемы ПГУ КЭС (ðèñ. 1, à ) определялись для условий, соответствующих среднегодовой температуре наружного воздуха для европейской части России (Òíâ = 4,1°С). Поверхности теплообмена КУ при его тепловом расчете во всех случаях подбирались таким образом, чтобы обеспечить 1 = 10°С, недогрев воды в экономайзере и ГПК Òýê = Òãïê = = 10°Ñ, ïå = 30°С. При определении мощности ПТУ приняты: давление пара в конденсаторе Ðê = 7 кПа, в деаэраторе Ðä = 0,12 МПа, внутренний относительный КПД проточной части ПТ при работе на сухом паре îi = 0,8. Для ступеней, работающих в зоне влажного пара, вводились необходимые корректировки [5]. Расчетное исследование показало, что во всех рассмотренных случаях существует определенное оптимальное начальное давление пара (ðèñ. 3). Оптимум наиболее ярко выражен в случаях, когда ПГУ создается на базе энергетических ГТУ с умеренными температурами выхлопных газов, что характерно для большинства отечественных агрегатов малой мощности. В зависимости от типа ГТУ выбор оптимального давления позволяет повысить экономичность ПГУ КЭС до 1,5%.

Анализ результатов проведенного исследования с учетом условия (4) позволяет сделать следующие выводы: изменение электрической мощности N ïý и тепловой экономичности ПГУ КЭС с од-

ноконтурным КУ происходит в зависимости от того, какая составляющая мощности ПТУ, вследствие варьирования начальных параметров пара, изменяется интенсивнее. Так, например, когда при

увеличении давления пара относительный рост срабатываемого теплопадения опережает соответствующее увеличение расхода пара, то растет электрическая мощность ПТУ и наоборот. В тот момент, когда интенсивность изменения составляющих мощности сравнивается, наблюдается оптимум тепловой экономичности. Исследования показали также, что минимальная температура уходящих из КУ газов не может являться окончательным критерием эффективности использования тепла газов ГТУ в схеме ПГУ КЭС, а максимальное значение ýïãó не соответствует минимальному

значению Òóõ КУ. Следовательно, для достижения максимальной экономичности в рассматриваемом типе ПГУ недостаточно только глубокой утилизации выхлопных газов ГТУ. Необходимо это тепло использовать максимально эффективно в процессе производства электроэнергии в ПТУ.

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что основным параметром, влияющим на характер изменения тепловой экономичности ПГУ КЭС с одноконтурным КУ при выборе оптимальных начальных параметров пара, является температура газов за ГТУ. Это позволило получить обобщенные зависимости (ðèñ. 4), характеризующие изменение оптимального начального давления пара от температуры выхлопных газов ГТУ. Вместе с тем, каждая точка графиков определена для конкретной температуры пара КУ Òïå, так как связывает температуру газов за ГТУ с температурным напором ïå.

С помощью указанных зависимостей на предпроектной стадии можно определить оптимальное, с точки зрения тепловой экономичности, на- чальное давление пара для имеющей место температуры выхлопных газов ГТУ и выбранного температурного напора на входе в пароперегреватель КУ. Для удобного использования результатов они аппроксимированы в функциональную зависимость

ãäå a = – 0,7928; b = 4,159 10 – 3; c = – 2,669 10 – 6; d = 2,514 10 – 3; e = 6,121 10 – 7; f = – 8,391 10 – 5;

g = – 1,528 10 – 3; h = – 1,050 10 – 3; i = – 4,512 10 – 5; j = 2,795 10 – 7.

Среднеквадратичное отклонение при аппроксимации равно 0,05%.

Были проведены исследования влияния различных параметров схемы ПГУ КЭС на характер изменения тепловой экономичности при выборе оптимального начального давления. В частности, было исследовано влияние выбора температурного напора на холодном конце испарительной поверхности КУ [в “пинч-пойнте” КУ (ðèñ. 1, á )] –1, давления в конденсаторе ПТУ, давления в де-

аэраторе ПТУ, а также проанализированы степень и характер влияния внутреннего относительного КПД проточной части паровой турбины. Помимо общей экономичности парогазовой установки, выбор значений указанных параметров схемы определенным образом влияет на характер изменения расхода пара и теплоперепада при варьировании начальных параметров пара, что важно с точки зрения проводимой оптимизации. В результате были сделаны следующие выводы:

увеличение температурного напора 1 незначительно сказывается на положении оптиму-

ìà: Pïåîïò слегка смещается в сторону низких давле-

íèé (ðèñ. 5). Влияние 1 наиболее существенно при высоких температурах газов на входе в КУ. Однако в этом случае зона оптимума начального давления достаточно пологая (ðèñ. 3, ã ) и указанное изменение Pïåîïò по сравнению с определенным

по уравнению (5) может привести к снижениюý.ïãóáð на 0,08%. С увеличением 1 оптимум зависи-

мости ýïãó f (Ðïå ) становится более ярко выра-

женным; повышение давления в конденсаторе ПТУ, на-

ряду с ухудшением тепловой экономичности установки, оказывает определенное влияние на положение оптимума: Pïåîïò смещается в сторону более

высоких значений (ðèñ. 6). Это влияние наиболее заметно при высоких температурах газов на входе в КУ (больше 500°C), но вследствие пологости области оптимального начального давления для этого диапазона Òêò изменение расчетного давления в конденсаторе ПТУ оказывает незначительное влияние на выбор оптимальных начальных параметров пара ПГУ КЭС;

при использовании в схеме ПГУ газового подогревателя конденсата (ðèñ. 1, à ) расход пара на деаэратор сводится к минимуму, определяемому технологическими требованиями. В результате этого выбор давления в деаэраторе практически не сказывается на оптимизации начальных параметров ПГУ с одноконтурными КУ;

уменьшение внутреннего относительного КПД паровой турбины, наряду с ухудшением тепловой экономичности ПГУ, снижает конечную влажность пара в паровой турбине. Однако влияние не-

посредственно на положение оптимума в большинстве случаев незначительно. Это происходит вследствие того, что при давлениях, близких к оптимальным (для конкретной температуры газов за ГТУ и выбранном температурном напоре ïå), конечная влажность невелика.

Исследовалось также влияние расхода электроэнергии на собственные нужды ПГУ КЭС на оптимизацию начальных параметров пара установки (ðèñ. 7). Из представленных зависимостей видно, что изменение этого расхода практически не влияет на положение оптимума начального давления пара ввиду того, что область интенсивного роста расхода эïãóñ.í не совпадает с зоной оптимальных

значений Ðïå, характерных для установок рассматриваемого типа.

Таким образом, условия получения зависимостей, показанных на ðèñ. 4, позволяют получить оптимальные, с точки зрения тепловой экономич- ности, начальные параметры пара в ПГУ КЭС с одноконтурным КУ, которые при необходимости можно скорректировать с учетом представленных ранее выводов.

Одной из особенностей установок, базирующихся на использовании газотурбинных и парогазовых технологий, является зависимость режима работы их основного элемента – ГТУ – от изменения внешних условий. Изменение параметров наружного воздуха оказывает существенное влияние на характеристики ГТУ, а, следовательно, на показатели энергетического модуля “газотурбинная установка – котел-утилизатор”. По этой причине следует при выборе параметров рабочих тел ПГУ, а также тех или иных технических решений учи-

тывать указанные изменения, принимая во внимание климатологию рассматриваемого региона. Характер изменения параметров энергетического модуля при изменении температуры наружного воздуха зависит как от типа газотурбинной установки, входящей в его состав, так и от типа котлаутилизатора. С целью изучения влияния неравномерности характеристик ГТУ на расход и параметры генерируемого в КУ пара были проведены исследования показателей энергетических модулей “ГТУ – КУ” с одноконтурными котлами-утилиза- торами на базе газотурбинных установок трех типов: ГТГ-15, ГТЭ-20 55СТ и GT10B. На ðèñ. 8 показаны зависимости относительного изменения температуры выхлопных газов и относительного изменения теплового потенциала выхлопных газов для рассматриваемых ГТУ в зависимости от Òíâ. В качестве базовой для каждого агрегата принято значение Qêòî , соответствующее Òíâ = 4,1°Ñ.

Èç ðèñ. 8, á видно, что для разных типов ГТУ помимо разной интенсивности имеет место различный характер изменения Qêò. Так, если для ГТУ GT10B наблюдается уменьшение Qêò при увеличении температуры наружного воздуха для всего рассматриваемого диапазона Tíâ, то для двух других установок при переходе от отрицательных Tíâ к положительным изменяется поведение зависимости Qêò = f (Tíâ): сначала рост – затем снижение. Такие изменения характеристик ГТУ неизбежно оказывают различное влияние на процесс генерации пара в котле-утилизаторе. С целью изу- чения этого влияния были проведены расчетные исследования режимов работы энергетических модулей “ГТУ – КУ” с одноконтурными котламиутилизаторами на базе газотурбинных установок указанных типов. Конструкторский расчет КУ проводился для характеристик ГТУ, соответствующих Tíâ = 4,1°С. Давление генерируемого пара принято Ðïå = 3,5 МПа и поддерживается постоян-

ным во всех рассмотренных режимах. Поверхности теплообмена КУ во всех случаях подобраны таким образом, чтобы обеспечить в базовом режиме работы следующие значения температурных напоров: на “горячем конце” пароперегревателя –ïå = 30°С, в “пинч-пойнте” котла-утилизатора –1 = 10°С. Для диапазона температур наружного воздуха от минус 30 до плюс 30°С была проведена серия поверочных расчетов сконструированных котлов-утилизаторов [6]. На ðèñ. 9 показаны зависимости относительного изменения температуры генерируемого пара от Tíâ для рассматриваемых модулей.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что характер изменения температуры генерируемого в КУ пара [Tïå = f (Tíâ)] во всех слу- чаях соответствует тенденции изменения температуры газов ГТУ, на базе которой сформирован энергетический модуль. Однако интенсивность изменения Tïå не всегда идентична соответствующей зависимости Têò = f (Tíâ), что, в первую очередь, объясняется изменением расхода генерируемого

ïàðà: Dïå = f (Tíâ). Íà ðèñ. 10 показаны кривые относительного изменения расхода пара от Tíâ ïðè

базовом режиме работы модуля (Tíâ = 4,1°Ñ).

Èç ðèñ. 10 видно, что при переходе к отрицательным температурам наружного воздуха для энергетических модулей на базе агрегатов ГТГ-15 и ГТЭ-20 55СТ довольно интенсивно снижается расход генерируемого пара. В результате при выбранной поверхности теплообмена пароперегревателя это приводит к уменьшению температурного напора на “горячем конце” пароперегревателя по отношению к базовому режиму работы КУ. При этом абсолютное значение температуры генерируемого пара снижается в соответствии с Têò = f (Tíâ).

Таким образом, изменение расхода пара наряду с температурой газов за ГТУ оказывает влияние на характер зависимости Tïå = f (Tíâ). Ïðè ýòîì ñàìî

ность изменения Dïå не всегда идентична соответствующей зависимости Qêò = f (Tíâ), что объясняется изменением и других величин, определяющих расход генерируемого пара.

При интенсивном снижении расхода пара происходит уменьшение недогрева воды в экономайзере, а также газовом подогревателе конденсата КУ и возможно вскипание теплоносителя. С це-

лью поддержания недогревов Týê è Tãïê на приемлемом с технологической точки зрения уровне

необходимо предусматривать в котле-утилизаторе специальные клапаны, повышающие давление питательной воды и конденсата на выходе из указанных поверхностей нагрева. При выборе соответствующего насосного оборудования необходимо учитывать возможный рост гидравлического сопротивления вследствие работы данных клапанов.

Анализ выражения (6) для определения расхода пара, генерируемого в КУ одного давления, показывает, что характер его изменения в зависимости от Tíâ определяется не только характеристиками ГТУ, но и параметрами пара

ãäå Gêò – расход газов за газовой турбиной (на входе в КУ), кг с; hêò – энтальпия газов за газовой турбиной (на входе в КУ), МДж кг; h2 – энтальпия газов на выходе из испарительной поверхности

ÊÓ, ÌÄæ êã; hïå – энтальпия перегретого пара на выходе из КУ, МДж кг; hýêâûõ – энтальпия питатель-

ной воды на выходе из экономайзера КУ, МДж кг;

– коэффициент сохранения теплоты.

Ñцелью изучения влияния параметров генери-

руемого пара на характер зависимости Dïå = f (Tíâ) были проведены расчетные исследования показателей рассматриваемых энергетических модулей “ГТУ – КУ”, при этом условия расчетов аналогич- ны указанным ранее. На ðèñ. 11 показано относительное изменение расхода генерируемого пара в

зависимости от Tíâ для различных значений давления Ðïå. Анализ полученных результатов показывает, что у энергетических модулей на базе установок типа ГТГ-15 и ГТЭ-20 55СТ растет интенсивность изменения расхода пара при увеличении его начального давления.

На изменение Dïå = f (Tíâ) значительное влия-

пароперегревательной (ПЕ) и испарительной (И) поверхностях нагрева КУ. Резкое падение температуры выхлопных газов ГТУ при снижении Tíâ приводит к еще более интенсивному уменьшению

hã , вследствие чего снижается расход генери-

ïå è

руемого пара. Увеличение Ðïå влечет за собой рост энтальпии газов в “пинч-пойнте” котла-утилизато- ра (h2), что при прочих равных условиях приводит

к повышению интенсивности изменения hã è,

ïå è

следовательно, к более существенному уменьшению Dïå f (Tíâ ).

Выполненное исследование показало, что изменение температуры и расхода генерируемого в котле-утилизаторе пара определяется не только характером, но и в значительной степени интенсивностью изменения параметров выхлопных газов ГТУ. Неравномерность характеристик генерируемого в котле-утилизаторе пара сильно зависит от типа газотурбинной установки, но также от самих параметров пара. Поэтому важно при выборе параметров и оборудования схемы ПГУ, а также для объективной оценки показателей тепловой и общей экономичности установки проводить анализ характеристик ее работы при обязательном учете климатологии рассматриваемого региона.

Выводы

1. Разработаны научно-методические основы выбора оптимальных, с точки зрения тепловой

* ( % 2 / ( 0 & / / ($ %

= / % ( & < /$

6*9+ B ,+7 1 ( % *9*0 "

*9-0 4 "".9 >? 4 % / /

1 – 0,75 ÌÏà; 2 – 1,5 ÌÏà; 3 – 3,5 ÌÏà; 4 – 7 ÌÏà

экономичности, начальных параметров пара ПГУ КЭС с котлом-утилизатором одного давления. Получено условие оптимума этих параметров и их обобщенная зависимость от температуры выходных газов ГТУ.

2.Выявлены степень и характер влияния отдельных параметров схемы ПГУ КЭС на выбор на- чальных параметров установки.

3.Рассмотрено влияние неравномерности характеристик энергетических ГТУ на показатели