Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет двухтопливной ПГУ с параллельной схемой работы. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
РАСЧЕТ ДВУХТОПЛИВНОЙ ПГУ
С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СХЕМОЙ
РАБОТЫ
Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2019
УДК 621.18.01(075.8)
Р 248
Коллектив авторов
П.А. Щинников, О.В. Боруш, А.А. Францева, А.А. Зуева
Рецензенты
д-р техн. наук, доцент Ю.В. Овчинников
канд. техн. наук, доцент Ю.И. Шаров
Работа подготовлена на кафедре ТЭС
Р 248 Расчет двухтопливной ПГУ с параллельной схемой работы:
учебное пособие / П.А. Щинников, О.В. Боруш, А.А. Францева,
А.А. Зуева. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 112 с.
ISBN 978-5-7782-3922-7
Пособие содержит теоретические и аналитические сведения о двухтопливных ПГУ параллельного типа, а также алгоритм их расчетов при любом сочетании мощностей газовой и паровой части установки.
В пособии представлены характеристики большинства производимых в
мире газовых турбин, в том числе конверсионных и перспективных средней и
большой мощности с локализацией в России
Учебное пособие предназначено для подготовки магистров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника». Может быть полезно специалистам,
проектирующим тепловые электростанции и широкому кругу практикующих
энергетиков.
Щинников Павел Александрович
Боруш Олеся Владимировна
Францева Алина Алексеевна
Зуева Анна Александровна
РАСЧЕТ ДВУХТОПЛИВНОЙ ПГУ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СХЕМОЙ РАБОТЫ
Редактор И.Л. Кескевич
Выпускающий редактор И.П. Брованова
Корректор И.Е. Семенова
Дизайн обложки А.В. Ладыжская
Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова
Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции
Подписано в печать 20.06.2019. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная
Тираж 50 экз. Уч.-изд. л. 6,51. Печ. л. 7,0. Изд. № 21. Заказ № 1016. Цена договорная
Новосибирского государственного технического университета
соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП)
Издание
Отпечатано в типографии
630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Учебное пособие
ISBN 978-5-7782-3922-7 © Коллектив авторов, 2019
© Новосибирский государственный
технический университет, 2019
.
УДК 621.18.01(075.8)
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие состоит из двух глав. Первая содержит теоретические сведения, в которых представлены классификационные признаки ПГУ, дано определение коэффициента бинарности, отражены принципы формирования двухтопливных ПГУ. Показаны некоторые
аналитические результаты исследований двухтопливных ПГУ и даны
примеры тепловых схем подобных установок.
Вторая глава пособия содержит алгоритм расчетов двухтопливных
ПГУ параллельного
паровой части установки. При выполнении задания студенты разрабатывают конфигурацию и определяют энергетические, конструктивные
и технико-экономические характеристики двухтопливной ПГУ параллельного типа. Затем ее сравнивают с угольными и газовыми технологиями генерации энергии. При этом последовательно выполняются:
расчеты газотурбинной и паротурбинной части
ние тепловой схемы парогазовой установки; формирование компоновочных схем котла-утилизатора и парового котла; определение тепловых потоков, передаваемых к каждой поверхности нагрева, их
площадей и выбор материалов изготовления; расчеты автономного режима работы паротурбинной части установки и комбинированного
режима работы ПГУ; определение технико-экономических показателей разрабатываемой ПГУ
обеспечивается равная эффективность работы двухтопливной ПГУ в
сравнении с традиционной угольной ТЭС и бинарной ПГУ сбросного
типа.
Кроме того, пособие содержит вопросы для самопроверки и защиты работы, список литературы и приложения, в которых представлена
справочная информация. В приложениях представлены характеристики большинства производимых
типа при любом сочетании мощностей газовой и
установки; формирова-
; соотношение цен на топливо, при котором
в мире газовых турбин, в том числе
3
конверсионных и перспективных средней и большой мощности с локализацией в России. Приведены примеры тепловых схем двухтопливных ПГУ параллельного типа.
Пособие может использоваться в учебном процессе, а представленный алгоритм расчетов пригоден для проектных и предпроектных задач создания двухтопливных парогазовых установок параллельного
типа и для задач сравнения различных технологий
генерации энергии.
Применимость разработанного подхода обусловлена тем, что задачи
сравнения, характерные для стадии предпроектных работ, различных
технологий генерации не требуют глубокой детализации их технических решений.
4
Глава 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
О ДВУХТОПЛИВНЫХ ПГУ
1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВКАХ
И КОЭФФИЦИЕНТЕ БИНАРНОСТИ
Парогазовые установки (ПГУ) являются современными и перспективными. Они применяются все более широко как при новом строительстве, так и в рамках модернизации действующих энергоблоков и
станций. В частности, в Российской Федерации за период с 2007 по
2017 г. доля генерации электроэнергии на
зовых установок увеличена с 0,6 до 8 %, а их установленная мощность
в 2017 г. составила свыше 20 ГВт против 1,3 ГВт в 2007 г.
Строгой классификации таких установок к сегодняшнему дню не
выработано из-за многообразия технических схем и возможностей их
применения. Вместе с тем чаще всего выделяют установки низко- и
высоконапорные, а
(рис. 1.1).
Наиболее широко в мировой и отечественной энергетике применяют установки низконапорные сбросного типа. Термодинамический
цикл и принципиальная тепловая схема простейшей подобной установки показаны на рис. 1.2. Здесь реализованы два термодинамических
цикла: цикл Брайтона – для газотурбинной и цикл Ренкина – для паротурбинной части
в камере сгорания газотурбинной установки (ГТУ), где нагревается воздух, предварительно сжатый в компрессоре (К), который затем совершает работу А в газовой турбине (ГТ). После ГТУ воздух, имеющий еще
достаточно высокую температуру, направляют в котел-утилизатор (КУ),
также сбросного типа и с дожиганием топлива
установки. Можно видеть, что теплоту к ПГУ подводят
основе применения парога-
5
У
а
е
A
A
ПГУ
НИЗКОНАПОРНЫЕ
Генерацию пара осуществляют
газами, отработавшими
в газовой турбине, а охлаждение
газов для ГТУ осуществляют
воздухом
СБРОСНОГО ТИПА
Генерацию пара ведут
за счет газов,
отработавших в ГТ
С ДОЖИГАНИЕМ
ВЫСОКОНАПОРНЫЕ
Охлаждение газов для ГТУ ведут
за счет генерации пара высоких
параметров
Генерацию пара ведут
за счет отработавших в ГТУ
газов совместно с сжиганием
дополнительно топлив
в парогенератор
Рис. 1.1. Классификационные признаки ПГУ
ГТУ
газ
ГТ
ПТУ
КУ
t
Q
под
К
t
Q
отв
Q
отв
*
s
а б
Рис. 1.2. Теоретический цикл (а) и принципиальная тепловая схема про-
стейшей ПГУ сбросного типа с низконапорным парогенератором (котлом утилизатором) (б):
Q
, Q
– подведенная к установке и отведенная от нее теплота; А – работа; t
под
отв
температура окружающей среды; ГТУ –газотурбинная установка, ПТУ – паротур-
бинная установка; КУ – котел-утилизатор, К – компрессор, ГТ – газовая турбина
–
*
6
в котором обеспечивают генерацию пара, и затем сбрасывают в атмо-
sAA
сферу. Пар, двигаясь по собственному замкнутому контуру подобно
традиционной паросиловой ТЭС, совершает работу в паротурбинной
установке (ПТУ). Пар не имеет высоких параметров, характерных для
автономных паросиловых установок, так как генерируется на «сбросном» тепле ГТУ. Отсюда получены классификационные признаки –
низкий напор
в парогенераторе (ННПГ) и сбросной тип. Топливом в
таких установках чаще всего служит газ, реже – жидкое топливо.
Кроме установок сбросного типа в учебной и научной литературе
чаще всего встречаются описания высоконапорных установок и установок с дожиганием топлива.
В высоконапорных установках (или установках с высоконапорным
парогенератором, ВНПГ) теплота в комбинированном
цикле подводится в ВНПГ, где обеспечивается генерация пара высоких параметров, и
затем продукты сгорания совершают работу в газовой турбине (цикл
Брайтона), рис. 1.3. Отработавшие в ГТУ газы отдают оставшуюся
часть теплоты низкопотенциальной группе паросилового контура
установки. Паросиловой контур работает по циклу Ренкина, и в нем
обеспечиваются более высокие параметры, чем в
ПГУ сбросного типа,
рис. 1.3, б.
Q
под
t
газ
ВНПГ
ПТУ
ГТУ
ТВД
t
Q
отв
Q
отв
*
ПН
ТНД
КН
а б
Рис. 1.3. Теоретический цикл (а) и принципиальная тепловая
схема (б) простейшей высоконапорной ПГУ:
ВНПГ – высоконапорный парогенератор; ТВД, ТНД – теплообменники
высокого и низкого давления; КН, ПН – конденсатный и питательный
насосы; остальные обозначения те же, что и на рис. 1.2
7
В установках с дожиганием топлива реализуют подвод теплоты в
двух точках термодинамического цикла (рис. 1.4). В первой точке, в камере сгорания ГТУ (при реализации цикла Брайтона), и этим топливом
является газ, в другой точке – в паровом котле (при реализации цикла
Ренкина), и этим топливом может являться уголь. Подвод теплоты в па
ровом котле за счет сжигания топлива обеспечивает высокие параметры
цикла Ренкина, а использование угля расширяет возможности его применения до рамок ПГУ при обеспечении КПД комбинированного цикла,
недостижимого для других «чисто» угольных технологий.
Отработавшие в ГТУ газы используют в котле-утилизаторе для ге-
нерации пара, который затем направляют в ПТУ,
что повышает общую
эффективность установки (рис. 1.4). Поскольку пар в паровом котле и
котле-утилизаторе генерируют с разделением общего потока питательной воды и дальнейшим смешением парового потока в проточной части турбины, такие схемы получили название параллельных.
t
уголь
Q
под
газ
-
газ
Q
под
Q
отв
A
A
t
Q
отв
*
s
ГТУ
КУ
уголь
ПК
а б
Рис. 1.4. Теоретический цикл (а) и принципиальная тепловая схема (б)
для ПГУ с дожиганием топлива и параллельной схемой работы:
ПК – паровой котел; остальные обозначения те же, что и на рис. 1.2
Общую эффективность ПГУ любого типа можно определить по
выражению
+
NN
η
ПГУ
γη η (1 γη )ηη η(1 ).
ГТУ o ГТУ к эм т с.н
i
ГТУ ПТУ
р
QB
н
8
k (1.1)
В этом выражении
р
γ
γ
N
– мощность электрическая ГТУ;
ГТУ
мощность электрическая ПТУ;
топлива; B – расход топлива;
Q
– низшая рабочая теплота сгорания
н
η , oη
ПГУ
η , эмη , тη – КПД ГТУ,
i, к
N
ПТУ
–
внутренний относительный паровой турбины, котла, электромеханический и транспорта теплоты соответственно;
k – коэффициент соб-
с.н
ственных нужд; – коэффициент бинарности.
В физическом смысле коэффициент бинарности характеризует то
количество теплоты, которое подведено в цикле Брайтона по отношению к полной подведенной теплоте к комбинированной установке [1].
Коэффициент бинарности определяют как
ГТУ ГТУ
QQ
под под
ПГУ ГТУ ПТУ
QQQ
под под под
,
(1.2)
где
ГТУ
Q ,
под
ПТУ
Q – подводимая к парогазовой установке (ПГУ) энергия
под
в камере сгорания газовой турбины и в паровом котле соответственно.
В том случае, когда к паровому котлу нет подвода энергии
ПТУ
под
0Q , коэффициент бинарности становится равен единице ( = 1).
В таких установках нет энергетического парового котла, а генерацию
пара для цикла Ренкина производят в котле-утилизаторе. Эти установки получили название «установки бинарного цикла» или «бинарные
ПГУ». Если
(
< 1) и тогда к установке обеспечивается подвод энергии дополни-
ПТУ
>0Q , то коэффициент бинарности меньше единицы
под
тельно к тому, который введен в камеру сгорания газовой турбины.
Такие установки получили название ПГУ с бинарностью меньше единицы. Если в качестве топлива для камеры сгорания ГТУ используется
один его вид, а для обеспечения дополнительного подвода энергии –
другой, то такие установки
называются двухтопливными ПГУ. Когда
топливом для газовой турбины и энергетического котла служит газ с
рр
одной теплотой сгорания
QQ , выражение для опреде-
н(ГТУ) н(ПТУ)
ления коэффициента бинарности примет вид
ГТУ ГТУ
BB
под под
ПГУ ГТУ ПТУ
BBB
под под под
.
(1.3)
9
Анализ выражения (1.1) показывает, что при
= 0,9;
к
чен
стижимы и более высокие показатели эффективности технических си-
стем и агрегатов энергетических установок, что позволяет иметь еще
более высокие теоретически достижимые
Установки с бинарностью меньше единицы позволяют вовлекать
уголь в парогазовые технологии и добиваться наиболее высокой эффективности использования органического топлива данного вида.
Выше отмечалось, что одним из путей повышения эффективности
в области генерации энергии может быть применение ПГУ с коэффициентом бинарности меньше единицы, что позволяет использовать в
парогазовом цикле уголь. В этом случае уголь сжигают для генерации
пара высоких параметров, а сжигание газа применяют для нагрева воздуха в газотурбиной установке [2, 3].
Термодинамическая
нарностью меньше единицы заключается в следующем. Подвод энергии осуществляют в двух местах (рис. 1.5,
вой турбины
–2–3–4–1) цикла и в паровой энергетический котел
(1
получения высоких параметров генерируемого пара в паросиловой части (0–П–ПП–к–к
тепловой поток
вой) контур комбинированного цикла через котел-утилизатор. Указан-
ный поток можно использовать в качестве окислителя в энергетическом котле. В этом случае газы, отработавшие в газовой турбине,
разделяются на две части. Одну часть направляют в котел-утилизатор,
а другую – в паровой энергетический котел. В обоих
продукцию в виде электроэнергии получают как в газотурбинной
()N , так и в паротурбинной
ГТУ
= 0,98;
эм
= 0,74 (для бинарных ПГУ, = 1). Вместе с тем сегодня до-
ПГУ
1.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
= 0,98 и при
т
ДВУХТОПЛИВНЫХ ПГУ
особенность комбинированного цикла с би-
k
= 10 % может быть обеспе-
с.н
.
ПГУ
а): в камеру сгорания газо-
ГТУ
Q
для обеспечения работы в газотурбиной части
под
–ПВ–0) цикла. Отработавший в газовой турбине
ГТУ
Q
также передается в пароводяной (паросило-
отв
()N части комбинированного
ПТУ
= 0,36;
ГТУ
ПТУ
Q , для
под
случаях полезную
= 0,86;
оi
цикла.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]