Исследование влияния температуры наружного воздуха на эффективность работы когенерационных установок парогазового цикла

УДК 621.311

Исследование влияния температуры наружного воздуха на эффективность работы когенерационных установок парогазового цикла

Ю. А. Долганов,

Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова, аспирант А. А. Епифанов,

Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова, кандидат технических наук, доцент

Представлены результаты исследования влияния температуры наружного воздуха на эффективность работы когенерационной парогазовой установки с газотурбинным двигателем мощностью 6000 кВт; приведены зависимости основных параметров работы установки от температуры наружного воздуха в диапазоне от -35 до +45 "С.

Ключевые слова: когенерационная установка, парогазовый цикл, температура воздуха.

Существенной экономии топливных ресурсов можно достичь внедрением когенерационных парогазовых установок, в которых теплота отходящих газов газотурбинного двигателя используется для выработки не только электрической, но и тепловой энергии. Особенность когенерации в энергетике состоит в том, что электроэнергия является основой производства, а тепловая энергия - дополнительным продуктом, отпуск которого улучшает показатели экономичности установки в целом.

Важным фактором, влияющим на работу когене-рационных парогазовых установок, является температура наружного воздуха [1, 2]. Изменение температуры наружного воздуха оказывает сильное влияние на параметры работы газотурбинного двигателя, при этом существенно изменяются параметры всей установки в целом: паропроизводительность котла-утилизатора, температура перегрева пара, мощность паровой турбины, КПД установки по выработке электроэнергии, коэффициент использования теплоты в котле-утилизаторе. То есть возникает необходимость определения и прогнозирования влияния температуры наружного воздуха на эффективность работы теплоутилизационного контура и всей установки в целом. Это даст возможность оценить на стадии расчётов диапазон как электрических, так и тепловых нагрузок, которые способна покрыть конкретная установка.

В исследованиях основное внимание уделяется парогазовым установкам с газотурбинными двигателями средней и большой мощности (более 25 МВт) с котлами-утилизаторами двух и трёх давлений [1, 3, 4]. В статье рассматривается когенерационная парогазовая установка с газотурбинным двигателем UGT 6000 (производства ГП НПКГ «Зоря-Машпроект») с котлом-утилизатором одного давления. Тепловая схема установки приведена на рис. 1. Особенность данной схемы -наличие газового подогревателя сетевой воды в хвостовой части котла-утилизатора.

Рис. 1. Тепловая схема когенерационной парогазовой установки

На рис. 1: 1 - компрессор; 2 - турбина; 3 - камера сгорания; 4, 14 - электрогенераторы; 5 - пароперегреватель; 6 - испаритель; 7 - экономайзер; 8 - газовый подогреватель конденсата; 9 - подогреватель сетевой воды; 10 - сепаратор пара; 11 - рециркуляционный насос; 12 - сетевой насос; 13 - циркуляционный насос; 15 - паровая турбина; 16 - конденсатор; 17 - конденсатный насос; 18 - питательный насос; 19 - деаэратор; 20 - химводоочистка.

Исследования проводилось в диапазоне температур наружного воздуха от -35 до + 45 °С. Для иссле-

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЪ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I wmv.endi.ru

№ 4(52) 2013, июль-август

дования использовались зависимости технико-экономических параметров работы газотурбинного двигателя UGT 6000 от температуры наружного воздуха. Зависимость давления в конденсаторе от температуры наружного воздуха принималась по данным [1], которые получены для установки с охлаждением циркуляционной воды конденсатора в градирне.

Чтобы применить математические методы для осуществления и анализа данного исследования, необходимо перейти от содержательной к математической постановке задачи. Для этого нужно определить целевую функцию f, множество допустимых решений Q для функции f и критерий оптимизации extr {max min}. Таким образом, тройка вида (Q, f, extr) задаёт экстремальную или оптимизационную задачу.

Формально математическая постановка выглядит следующим образом:

f(x) ^ extr (x е Q).

Задача оптимизации решена, когда:

- найдено её оптимальное решение, т. е. точка (x* е Q) такая, что f(x*)<f(x) для всех (x е Q). Символически это записывается в виде равенства: f (x*)={max min} f(x) (x е Q);

- или найден конечный инфинум f*={max min} f (x) (x е Q) целевой функции на множестве Q в случае, когда оптимального решения не существует;

- или доказано, что целевая функция не ограничена снизу на множестве допустимых решений;

- или установлено, что множество допустимых решений пусто.

Целевой функцией оптимизации данного исследования является зависимость электрического коэффициента полезного действия установки от давления пара в контуре паровой турбины Пел=ЛРпе), а давление пара Рпе - критерием оптимизации. То есть математическая постановка данного оптимизационного исследования запишется следующим образом:

f (P пе) ^ extr ("Пел

е Q).

Данную задачу целесообразно решать методом покоординатного спуска. Метод покоординатного спуска - итеративный процесс. На каждой итерации в качестве направления спуска используется один из единичных координатных векторов (в данном случае вектор изменения температуры окружающего воздуха).

Для упрощения математической модели исследования проводились при допущениях:

- расход пара и электроэнергии на собственные нужды установки приняты 4 % от паропроизводи-тельности котла-утилизатора и производства электроэнергии на всех режимах;

- на всех режимах давление перегретого пара составляло 1,5 МПа, а давление в барабане (сепараторе пара) - 1,65 МПа, коэффициент сохранения теплоты в котле-утилизаторе ф=0,97, процент продувки р=2 %, а количество выпара из деаэратора 0,4 % от расхода воды через него;

- на номинальном режиме температурный напор на горячем конце пароперегревателя принимался 30 °С, на холодном конце поверхности испарителя 20 °С, а недо-грев воды до кипения в экономайзере 10 °С;

- температура конденсата на входе в газовый подогреватель конденсата (после рециркуляции) принималась на всех режимах 54 °С (на 15 °С выше точки росы водяных паров газов) для предотвращения выпадения конденсата на хвостовых поверхностях нагрева;

- внутренний относительный КПД паровой турбины принимался 0,85 на всех режимах, её механический КПД 0,99, а КПД электрогенераторов 0,973;

- скорости газов в котле-утилизаторе принимались из условия допустимого аэродинамического сопротивления не более 3000 Па.

На рис. 2 показаны полученные с помощью разработанной математической модели зависимости температур рабочих сред котла-утилизатора: газов газотурбинного двигателя, воды и пара, а на рис. 3 -зависимости тепловых мощностей его поверхностей нагрева от температуры наружного воздуха. С увеличением температуры наружного воздуха от -35 до +45 °С температура газов газотурбинного двигателя существенно увеличивается от 330 до 454 °С, что вызывает, несмотря на уменьшение расхода газов, рост тепловой мощности пароперегревателя и темпе-

t, °C

400

350

300

250

200

150

100

50

2 1

3

5 4 \

\

\

\

-35

-15

5

25

t °C

'возд, C

Рис. 2. Зависимости температур газов, воды и пара в котле-утилизаторе от температуры наружного воздуха:

1 — температура газов перед котлом-утилизатором; 2 — температура перегретого пара; 3 — температура за пароперегревателем; 4 — температура за испарителем; 5 — температура насыщения в барабане котла; 6 — температура за экономайзером; 7 — температура за подогревателем сетевой воды

ратуры перегрева пара от 322 до 419 °С. Тепловая мощность испарительной поверхности сначала увеличивается за счет возрастания температуры газов за пароперегревателем, а потом уменьшается из-за преобладающего влияния расхода газов.

О, кВТ

10800

9600

8400

7200

6000

4800

3600

2400

1200

1

2

3

6 4 5

-35

-15

5

25

Повышение температуры воздуха до -3 °С приводит к росту, а затем к уменьшению паропроизводи-тельности котла-утилизатора (рис. 4).

'возд' С

Рис. 3. Зависимости тепловых мощностей поверхностей нагрева котла-утилизатора от температурыI наружного воздуха: 1 — котла-утилизатора; 2 — испарителя;

3 — подогревателя сетевой воды; 4 — экономайзера;

5 — пароперегревателя; 6 — газового подогревателя конденсата

По причине преобладающего влияния расхода газов также уменьшается тепловая мощность подогревателя сетевой воды и остальных поверхностей нагрева котла-утилизатора: экономайзера и газового подогревателя конденсата. При этом температуры газов за испарительной поверхностью, экономайзером, газовым подогревателем конденсата и подогревателем сетевой воды изменяются лишь на несколько градусов, что существенно меньше в сравнении с температурой газов перед котлом-утилизатором и температурой за пароперегревателем (например, температура газов за экономайзером уменьшается от 195 до 186 °С, а за подогревателем сетевой воды от 98 до 92 °С). Характер изменения суммарной тепловой мощности котла-утилизатора такой же, как и для испарительной поверхности: сначала она возрастает (до температуры наружного воздуха - 3 °С), а потом уменьшается.

Рис. 4. Зависимость паропроизводительности котла-утилизатора от температурыI наружного воздуха

В диапазоне температур воздуха от -35 до -3 °С темп роста температуры газов газотурбинного двигателя перед котлом-утилизатором преобладает над темпом уменьшения массового расхода газов, что при практически постоянной температуре газов за испарительной поверхностью (см. рис. 2) приводит к увеличению паропроизводительности котла-утилизатора. В диапазоне температур воздуха от -3 до 45 °С, наоборот, темп уменьшения массового расхода газов превышает темп роста температуры газов на входе в котел, и паропроизводительность падает.

Мощность паровой турбины с повышением температуры воздуха до -3 °С увеличивается, а затем падает (рис. 5), что связано с таким же характером изменения паропроизводительности котла-утилизатора и адиабатного теплоперепада.

Ы, кВт

9000

7500

6000

4500

3000

1500

0

1

2 \

3

-35

-15

5

25

' °С

'возд' С

Рис. 5. Зависимость мощностей от температуры наружного воздуха:

1 — суммарной электрической; 2 — газотурбинного двигателя; 3 — паровой турбиныI

кУ

f °С

'возд' ^

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / wmv.endi.ru

№ 4(52) 2013, июль-август

шнЕРШЁштурснтБЕШШЕтитшэнЕРШввФФЕшашшшЬ 21

1

2

-35

-15

5

25

2

Рис. 6. Зависимость КПД от температуры наружного воздуха:

1 — электрического КПД установки; — эффективного КПД газотурбинного двигателя

Изменение электрического КПД установки (рис. 6) с повышением температуры наружного воздуха определяется характером изменения суммарной электрической мощности установки и расхода топлива.

Полученная математическая модель позволяет прогнозировать изменение параметров работы когене-рационной парогазовой установки при изменении температуры окружающего воздуха в диапазоне от -35 до +45 °С. Результаты расчётов установки с газотурбинным двигателем мощностью 6000 кВт показали, что в указанном диапазоне изменения температуры окружающего воздуха мощность подогревателя сетевой воды изменилась от 2000 до 3200 кВт, а суммарная электрическая мощность установки от 6500 до 9500 кВт. Полученные значения можно использовать в качестве исходных данных при согласовании заданных тепловых и электрических нагрузок с типом и мощностью проектируемой установки. Для стабилизации температуры перегретого пара, изменение которой составило 100 °С, перед котлом-утилизатором надо установить камеру дожигания, что позволит также регулировать электрическую и тепловую мощность в соответствии с нагрузкой.

1

t ,

'возд'

C

Литература

1. Цанев С. В., Буров В. Д., Ремезов А. Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. - 584 с.

2. Манушин Э. А. Комбинированные энергетические установки с паровыми и газовыми турбинами // Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. «Турбостроение». - 1990. - № 4. - 186 с.

3. Степанов И. Р. Парогазовые установки. Основы теории, применение и перспективы. - Апатиты: Изд. Кольского научного центра РАН, 2000. - 196 с.

4. Фаворский О. Н., Длугосельский В. И., Петреня Ю. Н. Состояние и перспективы развития парогазовых установок в энергетике России // Теплоэнергетика. - 2003. - № 2. - С. 9-15.

The research of the outside air temperature influence on efficiency of combined cycle cogeneration power plants

Y. A. Dolganov,

National University of Shipbuilding, postgraduate student

A. A. Epifanov,

National University of Shipbuilding, Associate Professor

Authors research the influence of outside air temperature on efficiency of combined cycle cogeneration power plants. Power plant basic parameters depend on outside air temperature, that was studied in the range from -35 to +45 °C.

Keywords: cogeneration power plant, combined cycle, air temperature.