книги / Основы технической термодинамики, термохимии и анализ циклов газотурбинных установок

Количество кислорода, содержащегося в уходящих из ГТУ газах, оказывается достаточным для осуществления процесса горения топ­ лива в топке ПГ. Существует минимальное отношение (Nr/Nn)MItI„ при котором достигается минимально необходимое, для обеспечения процесса горения, значение коэффициента избытка воздуха ап=1...1,05. Изменение величины отношения Nr/Nn возможно толь­ ко в сторону увеличения относительно ее минимального значения, т.е. должно соблюдаться условие (Nr/Nn)>(Nr/Nn)MHII. В случае при­ менения НГТУ в составе ПТУ значение (Nr/Nn)M„„ составляет 0,42, а в случае применения ВГТУ — 0,62. С увеличением Nr/Nn коэффи­ циент избытка воздуха ап возрастает. Это приводит к изменению теплового режима работы, а, следовательно, и конструкции ПГ. Те­ пловая схема паровой турбины с регенеративным подогревом пита­ тельной воды остается штатной.

Тепловая мощность, расходуемая на подогрев сетевой воды ме­ жду сечениями 6' и 7 (см. рис. 4.5), отводится из ПГ во вне. Эта теп­ ловая мощность является полезной наряду с электрической мощно­ стью.

Тепловая мощность, расходуемая на генерацию пара, подводи­ мого к паровой турбине Q1ri в ПГУ-СБТ, определяется разностью энтальпий (ifi-i*, ) между сечениями 6 и 6' (см. рис. 4.5). При этом

значения температуры T*,«673---723К (400...450°С) и энтальпии i*, велики. Поэтому тепловая мощность Q1n и, следовательно, электри­ ческая мощность Nn уменьшаются в сравнении с аналогичными по­ казателями ПГУ-СБ, т.е. в рассматриваемом случае выработка не­ обходимой тепловой мощности происходит, как у всех теплофика­ ционных энергоустановок, за счет снижения электрической мощно­ сти. Низкая температура уходящих дымовых газов Tj и, соответст­ вующие ей потери теплоты, не оказывают влияние на величину электрической мощности ПГУ-СБТ, однако приводят к увеличению тепловой мощности, отводимой в подогревателе сетевой воды и, за­ тем, направляемой потребителю.

Экономичность теплофикационных энергоустановок определя­ ется по электрической, тепловой и суммарной электрической и теп­ ловой мощности. Для определения общего КПД ПГУ-СБТ по

электрической мощности в качестве исходного принимается урав­ нение (4.11).

Из анализа полученных результатов расчетов следует, что вели­ чина отношения Nr/Nn оказывает незначительное влияние на вели­ чину ijz . Вместе с тем величина КПД ijz зависит от типа применяе­ мой ГТУ (НГТУ или ВГТУ). В случае применения НГТУ величина КПД j)z в среднем составляет около 0,4, а в случае применения ВГТУ — 0,44...0,45. Для сравнения приведем КПД брутто штатной ПТУ, который составляет 7/пбр =0,385. Указанное превосходство ПГУ-СБТ над штатной ПТУ по величине КПД обусловлено прояв­ лением бинарности цикла, т. е. свойством эмерджентности рассмат­ риваемой технической системы.

Тепловая мощность ПГУ-СБТ QT, а также расход подогреваемой сетевой воды определяются тепловым балансом подогревателя, ко­ торый установлен между сечениями 6’ и 7 (см. рис. 4.5)

где GCB— массовый расход сетевой воды; GrI — общий массовый расход продуктов сгорания в сечениях 6'и 7; ircB, ixc8, i*,, i, — эн­

тальпии горячей, холодной сетевой воды и газа в сечениях 6' и 7, соответственно.

Величина удельной тепловой мощности представится в следую­ щем виде:

Зависимость (4.13) имеет возрастающий характер. В случае ис­ пользования НГТУ в составе ПГУ-СБТ Отуд=Ю,7...0,9, а в случае

использования ВГТУ — Отуд=0,5...0,6. Величина удельной тепло­

вой мощности характеризует соотношение между направляемыми потребителю мощностями — тепловой и электрической.

Общий КПД ПГУ-СБТ Î]z1 по электрической и тепловой мощ­

Из совместного рассмотрения уравнений (4.13) и (4.14) следует, что зависимость i)zz от величины отношения Nr/N„ имеет слабо

выраженный характер возрастающей функции. В уравнении (4.14) значения величины TJZ в случае применения ВГТУ выше, а величи­

ны Отуд ниже, чем в случае применения НГТУ В случае примене­

ния ВГТУ величина ijzz несколько ниже, чем в случае применения

НГТУ и составляет в среднем ÎJZZ =0,65...0,75.

Сравним ПГУ-СБТ с двумя теплофикационными установками — штатной теплофикационной паротурбинной установкой (ТПТУ) и теплофикационным энергоблоком (ТЭБ), состоящим из независимо работающих ПТУ и ГТУ. При этом в ГТУ нагрев сетевой воды осуществляется в специальном теплообменном аппарате — подог­ ревателе сетевой воды.

Энергетические показатели ТПТУ гораздо ниже, чем ПГУ-СБТ. Однако при их сравнении следует учитывать, что ГТУ, как правило, работают на дорогостоящем топливе. Поэтому результат сравнения ПГУ-СБТ с ТПТУ определяется технико-экономическим анализом, учитывающим различие в стоимости топлив, используемых в ГТУ и ПТУ.

Величины энергетических показателей ТЭБ ниже, чем ПГУ-СБТ. Так, например, величина КПД по электрической мощности JJZ ТЭБ

в случае применения НГТУ в составе обеих сравниваемых энерго­ установок ниже на 10... 14% (относительных), а в случае примене­ ния ВГТУ — ниже на 14... 18% (относительных). При этом удель­ ные тепловые мощности Отуд различаются несущественно в преде­

лах до ±8... 10%. Величина общего КПД rjzz ТЭБ в среднем на

12... 14% (относительных) ниже, чем КПД ПГУ-СБТ, как в случае применения НГТУ, так и в случае применения ВГТУ в составе обе­ их энергоустановок. Поскольку ТЭБ и ПГУ-СБТ имеют в своем со­ ставе ГТУ, то следовательно для их работы необходимо использо­ вать сравнительно дорогое топливо. Однако, ТЭБ обладает досто­ инством, заключающемся в том, что в нем используется штатное энергетическое оборудование, за исключением специального тепло­ обменного аппарата — подогревателя сетевой воды.

Окончательный выбор между установками ТЭБ и ПГУ-СБТ осуществляется на основании технико-экономического анализа, ис­

ходными данными для которого могут служить результаты соответ­ ствующих термодинамических расчетов.

4.4.ПГУ с подогревом питательной воды

ивытеснением регенеративных подогревателей высокого давления ПТУ

Тепловая схема ПГУ с подогревом питательной воды и вытес­ нением регенеративных подогревателей высокого давления паро­ турбинной установки (ПГУ-ВРП) приведена на рис. 4.6. Рассмотрим три регенеративных подогревателя высокого давления (ПВД), кото­ рые, как известно, имеются во всех конденсационных ПТУ типа К-300, К-500, К-800, К-1200. На базовом режиме работы ПТУ при остановленной ГТУ открыты вентили «а», «б», «в» на трубопрово­ дах греющего пара, а также вентиль «г» на выходе нагретой пита­ тельной воды из последнего подогревателя. При этом вентили «д» и «е» закрыты.

В указанных трех ПВД питательная вода нагревается приблизи­ тельно на 11СГС — от 160... 170°С (за деаэратором) до 270...280°С (на входе в парогенератор). Необходимо отметить, что отборы греющего пара на ПВД осуществляются, в основном, из начальных участков проточных частей ЦВД и ЦСД. При этом расход пара на ПВД составляет приблизительно 20% от общего расхода пара на турбину, а мощность ПТУ из-за осуществления этих отборов пара снижается в гораздо большей мере, чем за счет всех последующих отборов.

С переходом на режим работы ПГУ-ВРП после запуска газотур­ бинной установки ПВД отключаются («вытесняются»), а подогрев питательной воды осуществляется выхлопным газом ГТУ в специ­ альном теплообменном аппарате — подогревателе питательной во­ ды (см. рис. 4.6 между сечениями 5 и 6). При этом вентили «а», «б», «в» и «г» закрываются, а вентили «д» и «е», установленные на трубопроводе питательной воды, открываются. Заметим, что в штатных ПТУ трубопроводы, предназначенные для отборов пара из проточных частей турбины на ПВД, как правило, снабжены венти­ лями, посредством которых возможно прекращение

Рис. 4.6. Тепловая схема парогазовой установки с вытеснением регенеративных подогревателей (ПГУ-ВРП)

этих отборов пара в случае необходимости увеличения мощности турбины. Однако следует отметить, что увеличение мощности па­ ровой турбины указанным способом может ограничиваться пропу­ скной способностью последней ступени ЦНД. При этом должна по­ вышаться тепловая мощность, выделяемая в топочном пространстве парогенератора и несколько снижаться величина КПД ПТУ.

В ППВ, установленном на выхлопе ГТУ, подобно тому, как это имеет место на базовом режиме работы автономной ПТУ, питатель­ ная вода может быть нагрета до температуры 270...280°С, а при не­ обходимости и до более высокой температуры. Это вполне возмож­ но, поскольку в современных ГТУ температура выхлопного газа достаточно высока — не ниже 520...60СГС. При нагреве питатель­ ной воды до штатной температуры ~270°С тепловая мощность ДО, и расход топлива GT„ в парогенераторе должны быть несколько увеличины из-за отключения двух отборов «а» и «б» (см. рис. 4.6) и, соответствующего этому, увеличения на -16% (относительных) массового расхода пара, направляемого на промежуточный пере­ грев после его расширения в ЦВД (при условии постоянства расхо­ дов питательной воды и свежего пара). Как показывают расчеты, при увеличении температуры питательной воды до 310'С тепловая мощность AQ, и расход топлива GTn остаются неизменными. С пе­ реходом базового паротурбинного блока наработу в составе ПГУВРП тепловые режимы парогенератора и паровой турбины не изме­ няются. Поэтому достигается быстрый переход ПГУ-ВРП с базово­ го на пиковый режим работы, который определяется продолжи­ тельностью запуска ГТУ (15...20 мин.).

Нагрев питательной воды до более высокой температуры t„.B>310‘C возможен, но не целесообразен по следующим причи­ нам:

-из-за увеличения температуры уходящих из ПГ дымовых газов

ипотерь теплоты в окружающую среду вследствие уменьшения те­ пловой мощности ДО,, расхода основного топлива на ПТУ GTn, а

также расхода воздуха через воздухоподогреватель; - из-за изменения теплового режима ПГ, приводящего к увели­

чению продолжительности перехода от базового режима работы ПТУ на расчетный установившийся режим работы ПГУ-ВРП;

- из-за необходимости разработки и установки специальной сис­ темы управления, по соответствующей программе, подачей основ­ ного топлива на ПТУ и расходом дутьевого воздуха;

из-за возрастания величины расхода дорогостоящего топлива на ГТУ, при некотором снижении расхода более дешевого топлива на ПТУ, обусловленного ростом величины отношения мощностей Nr/N„ сверх рекомендованных значений для пиковых режимов ра­ боты (-0,3...0,4).

Поэтому, найденная расчетом, температура питательной воды на выходе из подогревателя принимается равной tne =310°С.

Из приведенного описания тепловой схемы ПГУ-ВРП следует, что бинарность цикла ПГУ-ВРП заключается в использовании для подогрева питательной воды части отводимой из цикла ГТУ тепло­ вой мощности. Значение этой используемой тепловой мощности определяется следующим уравнением

где Grr — массовый расход продуктов сгорания на выходе из ГТУ; Q2r — тепловая мощность, отводимая в цикле ГТУ; AQ2r=(Giri*)6-(G Bri*)0 — потери тепловой мощности в окружаю­ щую среду с газом, выходящим из ППВ.

В свою очередь, используемая тепловая мощность (4.15) опреде­ ляется мощностью, необходимой для подогрева питательной воды в заданном интервале температур (170°С... 310 °С)

•пит.в.6— значения энтальпии питательной воды на выходе из ППВ и на входе в него, соответственно.

Влияние реализуемой в бинарном цикле тепловой мощности (4.15) на энергетические показатели ПГУ-ВРП проявляется, главным обра­ зом, в увеличении мощности ПТУ ДN„ на 15... 16% (относительных) за счет увеличения расхода пара через проточную часть турбины сра­ зу за отключенными отборами «а», «б» и «в» (см. рис. 4.6). Этим ПГУ-ВРП отличается от ПГУ-СП, где бинарность цикла не влияет на мощность ПТУ, а влияние бинарности проявляется лишь в

уменьшении расхода основного топлива GTn, поступающего в топку котла.

В связи с тем, что до отбора «а» величина расхода пара не меняется, а между отборами «а» — «б» и «б» — «в» после их от­ ключения величина расхода пара возрастает в меньшей степени (до отбора «в» — на ~16%), относительное увеличение мощности AN, /N, на ~15% меньше, чем соответствующее увеличение вели­ чины расхода пара через проточную часть турбины за 3-им от­ бором «в» (на 20%). Значения величины давления пара в отборах «а», «б» и «в» составляют ~60, ~40 и ~16 бар, соответственно. Таким образом, увеличенный на 20% расход пара относится к про­ цессу расширения в турбине от давления ~16 бар до выхода из по­ следней ступени ЦНД ~0,035 бар.

Тепловая мощность Оисп в уравнениях (4.15) и (4.16), как отме­ чалось выше, характеризует бинарность цикла ПГУ-ВРП. При на­ греве питательной воды от 170 °С до 310 °С и давлении 240 бар, ве­ личина разности энтальпий, входящей в уравнение (4.16), составит 'пит.в.5 - , пит.в.б -700 кДж/кг. Тогда величина тепловой мощности, со­ гласно уравнению (4.16), составит:

^исп =700 йпитвод, (кВт).

Известно, что удельная полезная работа штатных конденсацион­ ных ПТУ ( / еп = Wn/GnMTод ) равна приблизительно 1200 кДж/кг.

С учетом изложенного, уравнение (4.16) представится в виде: No

Оисп “ 700 ^вп =0,583 Nn.

Тепловая мощность, выделяемая в ПГ при сгорании основного топлива, расходуемого на ПТУ, определяется следующим выраже­ нием:

ДО, = Nn//7n6p - Nn /0,385 =2,6 Nn,

где rj^ — электрический КПД брутто штатной ПТУ.

Из полученного выражения следует, что относительная величина используемой тепловой мощности весьма мала и составляет

QHCB/AQ, =0,583/2,6=0,22.

Из-за низкой бинарности цикла нет оснований ожидать высокого значения КПД установки ПГУ-ВРП.

Суммарная мощность ПГУ-ВРП равна

где ANn/Nn =0,15. Величину отношения мощностей ГТУ и ПТУ Nr/Nn можно определить из уравнения теплового баланса ППВ, ко­ торое представляет собой равенство правых частей уравнений (4.15) и (4.16). Результаты расчетов показывают, что величина отношения Nr/Nn составляет Nr/Nn =0,25...0,03. Тогда уравнение (4.17) запи­ шется в следующем виде:

Из уравнения (4.18) следует, что увеличение суммарной мощно­ сти ПГУ-ВРП по сравнению с мощностью штатной ПТУ весьма существенно.

При выборе единичных мощностей ГТУ и ПТУ для работы в со­ ставе ПГУ-ВРП значение величины отношения Nr/N n должно при­ ниматься в указанных выше пределах. Расчет энергетических пока­ зателей ПГУ-ВРП должен производиться также для выбранной ве­ личины отношения Nr/N n. При этом следует отметить, что уравне­ ние (4.18) является усредненным и может быть принято для выпол­

Уравнение (4.19), с учетом уравнения (4.17) и известных соот­ ношений Q1r =Nr//7r , AQ1=Nn/ ^ p, примет вид:

Для оценки целесообразности использования ПГУ-ВРП на базо­ вых режимах работы сравним КПД ПГУ-ВРП с КПД брутто штат­ ной ПТУ. Отношение этих КПД (Ль/Лг? ) представится в виде:

Поскольку КПД НГТУ и ВГТУ различны по величине, то и ве­ личина отношения КПД, определяемая уравнением (4.21), будет за­ висеть от значения величины т}г (для НГТУ 7jr=0,32, а для ВГТУ //,.=0,38). Тогда из уравнения (4.21) с учетом ранее принятых значе­ ний Nr/N„ =0,25 и ANn/Nn=0,15, получим:

Лх/Лп>= 1,076 — в случае использования НГТУ;

Л%/лпР = М 2 — в случае использования ВГТУ. Значения этих показателей, полученных для ПГУ-ВРП, гораздо

выше показателей для ПГУ-СП (см. п. 4.3). Однако уровень значе­ ний этих показателей недостаточен для эксплуатации ПГУ-ВРП на базовом режиме работы, особенно если при этом учесть, что в со­ став ПГУ-ВРП входит ГТУ, работающая на дорогостоящем топли­ ве. Расход этого топлива по отношению к расходу более дешевого основного топлива на ПТУ (GTr/GTn ) может оказаться весьма зна­ чительным. Величина отношения GTr/GT(1 определяется следующим уравнением:

®тг/^тп = Ои^НИЭП/^^1^низг = ^Гг77пР®низп/^п7г^ниэГ . (4.22)

где QJJH3n и Оризг — величины низшей теплоты сгорания топлив, оп­ ределенных по их рабочей массе, которые расходуются на ПТУ (ус­ ловного) и ГТУ (природного газа), соответственно.

В расчетах принято: 0£иэп=29300 кДж/кг; QjJM3r =50000 кДж/кг. Тогда величина отношения GTr/GTn для случая использования НГТУ составит GTr/GT(1=0,176, а для случая использования ВГТУ G^/G™ =0,146.

Представляет интерес сравнение показателей экономичностей ПГУ-ВРП и ПЭБ, состоящего из независимо работающих ГТУ и