Расчет энергетических показателей газотурбинной установки

1. Электрическая мощность ГТУ

где механические КПД ГТ и ОК: η_{м. гт} = 0,995, η_{м. к} = 0,995, КПД электрогенератора ГТУ: η_эг = 0,985.

2. КПД ГТУ по производству электроэнергии (брутто)

3. КПД по производству электроэнергии (нетто)

Определяем:

- долю расхода электроэнергии на собственные нужды ГТУ

- долю расхода электроэнергии на привод дожимающего компрессора, который увеличивает давление газового топлива перед его подачей в камеру сгорания. Эта величина зависит от давления природного газа в подающей магистрали ТЭС, а также от давления воздуха за компрессором Р_кк, и обычно лежит в пределах = 0,05 - 0,09. В расчете принято = 0,07;

- долю расхода электроэнергии на привод остальных вспомогательных механизмов ГТУ. Можно принять ее из интервала = 0,01 - 0,02. В расчете принято = 0,012.

Таким образом, доля расхода электроэнергии на собственные нужды ГТУ

Э_сн = 0,07 + 0,012 = 0,082.

КПД ГТУ по производству электроэнергии (нетто)

2.2. Конструкторский расчет котла-утилизатора (ку)

Цель конструкторского расчета КУ: определить

- площади поверхностей нагрева;

- геометрию (геометрические характеристики) отдельных элементов;

- паропроизводительность и параметры генерируемого пара при заданных условиях.

Принципиальная тепловая схема одного из вариантов ПГУ с КУ (с двумя контурами генерации пара) изображена на рисунке 2.5.

При выполнении конструкторского расчета КУ используют следующие технические данные, известные из расчета тепловой схемы ГТУ (см. п. 2.1):

- вид и состав сжигаемого в ГТУ топлива;

- параметры выходных газов ГТУ: расход G_кг, температуры υ_кт, избыток воздуха α_кт, состав выходных газов;

- конструктивные параметры стандартной типовой секции поверхностей нагрева КУ, параметры оребренных труб.

Рис. 2.5. Принципиальная тепловая схема парогазовой установки с КУ:

ПЕ-ВД, ПЕ-НД – пароперегреватели высокого и низкого давления; И-ВД, И-НД - испарительные поверхности высокого и низкого давления; Э-ВД - экономайзер высокого давления; ГПК - газовый подогреватель конденсата; ДВП - деаэратор питательной воды; ЧВД, ЧНД - части высокого и низкого давления паровой турбины; К-р – конденсатор; КН - конденсатный насос; ПН-ВД, ПН-НД – питательные насосы соответственно высокого и низкого давления; НРц – насос рециркуляции; РК – регулирующий клапан

Основные положения, требования и допущения конструкторского расчета ку

Настоящие рекомендации даны для схемы КУ с двумя контурами генерации пара (см. рис. 2.5). Однако большинство нижеприведенных положений носят общий характер, которые следует использовать при расчетах других типов КУ.

I. Для любой из поверхностей нагрева КУ (пароперегревателя, испарителя и т.п.) можно привести следующее уравнение количества теплоты, передаваемой выхлопными газами ГТУ пароводяному рабочему телу

(2.1)

где G_кт, Д_{пв i} – расходы газов за ГТУ и пароводяного рабочего тела, кг/с; - разности энтальпий соответственно газов и пароводяного тела, кДж/кг; К_i - средний коэффициент теплопередачи в i - й поверхности нагрева, кВт/(м²·К); F_i – площадь i - й поверхности нагрева, м²; - средний логарифмический температурный напор в i - й поверхности нагрева, °С; φ = 0,994 - 0,996 – коэффициент сохранения теплоты в КУ.

Такие расчеты необходимо сделать в определенной последовательности для заданных отдельных поверхностей нагрева КУ.

Одновременно проводятся гидравлический и аэродинамический расчеты элементов КУ.

Рис. 2.6. Q, Т – диаграмма теплообмена в двухконтурном котле-утилизаторе ПГУ:

υ_i – температуры продуктов сгорания по тракту КУ; t_i – температуры пароводяного теплоносителя по тракту КУ; Θ – температурные напоры

II. Конструкторский расчет КУ выполняют при одновременном контроле правильности выбора параметров и количества генерируемого пара высокого и низкого давления с использованием Q, Т – диаграммы теплообмена в КУ (рис. 2.6).

В процессе расчета

- принимают минимальные температурные напоры на холодных концах поверхностей нагрева испарителей ВД и НД: Θ₁ и Θ₂ в пределах 8 – 10 °С. Расход пара в контурах ВД и НД рассчитывают по этим задаваемым напорам;

- контролируют температурный напор на горячем конце пароперегревателя ВД Θ_пе ≤ 20 – 30 °С;

- поверяют температуру уходящих газов за КУ. Обычно добиваются того, чтобы выполнялись следующие условия: υ_ух = 80 – 100 °С и 120 – 125 °С при сжигании природного газа и жидкого газотурбинного топлива соответственно;

- для предотвращения коррозии выходных поверхностей нагрева КУ принимают температуру конденсата на входе в котел 55 – 60 °С, так как существует опасность кислородной коррозии ГПК при использовании недеаэрированного конденсата ПТУ.

III. Тепловой конструкторский расчет КУ рекомендуется проводить в несколько этапов (в данном случае согласно схеме рис. 2.5).

ЭТАП 1. Решают уравнения теплового баланса для поверхностей нагрева ВД с учетом типов применяемых ГТУ и соответствующим параметрам уходящих газов.

В первом приближении рекомендуется принять

- давление пара в барабане ВД = 6 – 10 МПа;

- давление воды за питательными насосами ВД

- давление воды за экономайзером ВД

- температуру питательной воды за экономайзером ВД ;

- гидравлическое сопротивление пароперегревателя ВД (принимается либо рассчитывается) МПа;

- давление перегретого пара ВД

Для определения параметров пара, его расхода, а также температуры и энтальпии газов необходимо решить следующие уравнения тепловых балансов поверхностей нагрева ВД (рис. 2.5 и 2.6):

	(2.2)
	(2.3)
	(2.4)

Здесь и далее h_i – энтальпия газов i – й поверхности нагрева КУ.

Расход пара, генерируемого в контуре ВД КУ, определяем из соотношения (без учета продувки из барабана ВД):

(2.5)

При проведении поверочных тепловых расчетов КУ температура перегретого пара пароперегревателем ВД будет изменяться вследствие изменения параметров выхлопных газов ГТУ. При превышении этой температуры расчетной величины, в работу включается впрыскивающий пароохладитель, работающий на деаэрированной питательной воде, или производится байпасирование части пара мимо пароперегревателя ВД. При этом объем впрыска или байпаса подлежит определению.

ЭТАП 2. Расчет производится по аналогии с ЭТАПОМ 1.

В первом приближении следует принять:

- давление пара в барабане НД = 0,5 – 0,7 МПа;

- давление воды за питательными насосами НД

- давление воды за экономайзером ВД

- гидравлическое сопротивление пароперегревателя НД (принимается либо рассчитывается) МПа;

- давление перегретого пара НД

Далее производятся, как и на ЭТАПЕ 1, расчеты уравнений тепловых балансов аналогичных поверхностей нагрева НД, а также температуры и энтальпии газов по ним:

	(2.6)
	(2.7)

Контролируется недогрев за испарителем низкого давления Θ₂.

Если не удается решить эти уравнения с учетом вышеперечисленных требований, то надо возвратиться к решению их на ЭТАПЕ 1, изменяя расход пара в контуре ВД и его параметры.

ЭТАП 3. Цель – рассчитать уравнения теплового и материального балансов питательной воды и ГПК КУ.

Деаэратор питается обычно из коллектора НД котла, что позволяет оценить давление в этом аппарате:

, МПа.

(2.8)

При расчете деаэратора принимают температуру воды за ГПК КУ , чтобы обеспечить его устойчивую работу.

Уравнение теплового баланса ГПК КУ (рис.2.5 и 2.6):

(2.9)

Количество воды, направляемое на рециркуляцию Д_рец для поддержания температуры теплоносителя на входе в КУ °С, определяют из расчета смесителя воды на входе в ГПК.

Расход конденсата после конденсатора паровой турбины определяют по формуле

(2.10)

Уравнение материального баланса деаэратора

(2.11)

где - расход пара в деаэратор.

Уравнение теплового баланса деаэратора:

(2.12)

В заключение определяют расход греющего пара в деаэратор и температуру уходящих газов КУ и строят в масштабе Q₁T – диаграмму (рис. 2.6).

ЭТАП 4. После проведенных расчетов с учетом приведенных выше рекомендаций, для каждой из поверхностей нагрева следует решить уравнение теплообмена

(2.13)

Далее площади поверхностей нагрева КУ F_i определяют из этих уравнений.

Предварительно необходимо выбрать тип оребренных труб и параметры оребрения.

Средний коэффициент теплопередачи рассчитывают в соответствии с рекомендациями нормативного метода теплового расчета паровых котлов.

До определения коэффициента теплопередачи находят скорость рабочих тел, проходящих через поверхности нагрева КУ.

Рекомендуется принимать значения скорости в следующих пределах:

газ м/с;

пар м/с;

вода м/с.

ЭТАП 5. Определение поверхности нагрева КУ

Котел-утилизатор горизонтальной компоновки

Необходимо определить габаритные размеры и конструктивную схему секций, из которых комплектуются поверхности нагрева.

Длина труб в секциях и их число могут изменяться в зависимости от технологии производства КУ.

Высота секций, их число в одном ряду и конфигурация трубного пучка определяют сечение для прохода газов, а следовательно, и скорость газов. Число труб в одной секции принимают по условиям компоновки, ее габаритным размером и массе.

Схема может быть выполнена с нижним и верхним коллекторами либо только с нижним коллектором.

Приводим формулы определения площадей

- Поверхность гладкой трубы [3, рис. 1.8 и 1.9]

(2.14)

- Боковая поверхность ребра

(2.15)

- Внутренняя торцевая поверхность ребра

(2.16)

- Наружная торцевая поверхность ребра

(2.17)

- Поверхность теплообмена оребренной трубы

(2.18)

- Поверхности теплообмена одной секции

(2.19)

где d_н и l_тр – наружный диаметр трубы и ее длина, м; h_реб и δ_реб – высота и толщина ребра, м; в_реб – расстояние между осями ребер, м; F_{пе вд}, F_{и вд} – площади поверхностей нагрева пароперегревателя ВД и испарителя ВД, м²; n_тр – число труб одной секции (в примере n_тр = 66).

Количество рядов секций в каждой из поверхностей нагрева КУ по ходу газов

(2.20)

где m_сек = 3 – 6 – число секций одного ряда по ходу газа и т.д.

Результаты расчетов сведем в итоговую таблицу.

Котел-утилизатор вертикальной компоновки.

Площадь поверхности нагрева одного ряда труб блочного пакета [3, рис. 1.10 и 1.11]

(2.21)

где F_тр – площадь поверхности теплообмена оребренной трубы (определяется по формуле, приведенной выше для КУ горизонтальной компоновки): - число оребренных труб одного ряда.

Количество рядов труб в одном блочном пакете КУ

(2.22)

где - площадь поверхности нагрева отдельных элементов тепловой схемы КУ (ПЕ ВД, и ВД и т.д.).

Количество рядов в одном блочном пакете .

Следовательно, можно определить число блоков одного типа в поверхности нагрева КУ.

Результаты расчетов сведем в итоговую таблицу.

В качестве примера ниже приведены величины поверхности нагрева КУ П-88 АО «ПМЗ» на базе оребренных труб:

F_{пе вд} = 18 450 м²; F_{и вд} = 38 960 м²; F_{эк вд} = 25 760 м²;

F_{пе нд} = 3490 м²; F_{и нд} = 31 920 м²; F_гпк = 40 480 м².

Суммарная поверхность нагрева КУ при массе 1054 т F_ку = 159 101 м².

ЭТАП 6. Аэродинамический расчет КУ в соответствии с нормативным методом аэродинамического расчета котельных установок [10]

Утилизация части теплоты уходящих газов ГТУ в тепловых схемах ПГУ и ГТУ-ТЭЦ связана с некоторым повышением сопротивления выхлопного тракта и ростом давления газов за ГТ, что приводит к небольшому снижению электрической нагрузки, а соответственно и КПД и к незначительному увеличению температуры газов за ГТУ.

Оцениваем приведенный фактор с помощью следующих зависимостей [3]:

- коэффициент уменьшения электрической мощности

(2.23)

где - мощность ГТУ при работе в автономном режиме;

- коэффициент уменьшения КПД производства электроэнергии

(2.24)

где - КПД производства электроэнергии ГТУ в автономном режиме;

- коэффициент увеличения температуры на выходе турбины

(2.25)

где - относительная величина потери давления на выходе газов турбины; - дополнительное аэродинамическое сопротивление на выходе ГТУ из-за установки КУ или газоводяного теплообменника; - обычно меняется в пределах 0,01 ÷ 0,03.

Таблица 2.4

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

для выполнения конструкторского теплового расчета котла-утилизатора, входящего в состав ПГУ (обозначения величин смотри по тексту)

№	, МВт	, кг/с	, °С		, кг/с	Геометрические характеристики труб, мм					Топливо
1.	50	3,02	540	3,35	165	40/4	92/72	14	7	1	Природный газ (100 % СН4) Qнр = 50056 кДж/кг
2.	60	3,68	575	3,0	185	30/4	90/78	13	5	2
3.	70	3,95	570	3,2	215	38/4	80/70	10	5	2
4.	80	4,71	545	3,3	260	32/4	85/72	10	5	1
5.	90	5,14	550	3,15	293	36/4	80/70	11	6	2
6.	100	5,56	555	3,10	325	32/4	85/72	12	7	1
7.	110	5,98	560	3,05	357	28/4	90/78	13	5	2
8.	120	6,40	565	3,02	390	42/4	80/70	14	6	1
9.	130	7,50	570	3,0	423	40/4	92/72	10	7	2
10.	140	7,92	576	2,95	455	44/4	85/72	11	5	1
11.	150	9,10	580	2,90	490	36/4	80/70	12	6	2
12.	160	10	585	2,85	520	32/4	85/72	13	7	1
13.	170	10,6	590	2,80	550	40/4	92/72	14	5	2
14.	180	11,1	595	2,78	585	28/4	80/70	10	6	1
15.	190	11,7	600	2,75	618	30/4	85/72	11	7	2
16.	200	12,2	605	2,70	650	44/4	85/70	12	5	1
17.	210	12,7	610	2,68	683	36/4	80/72	13	6	2
18.	220	13,5	585	2,8	720	28/4	80/70	10	7	1
19.	230	14,5	600	2,70	740	44/4	92/76	12	6	1
20.	240	15,5	610	2,70	760	42/4	86/72	14	5	1
21.	250	16,5	620	2,80	780	40/4	85/70	11	7	1
22.	260	17,5	630	2,85	800	42/4	92/76	13	6	1