Инновационные технологии в проектировании тепловых схем паротурбинных, парогазовых и испарительных установок

УДК 621.311

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ ПАРОТУРБИННЫХ, ПАРОГАЗОВЫХ И ИСПАРИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

А.В. МОШКАРИН, д-р техн. наук, Б.Л. ШЕЛЫГИН, Г.И. ДОВЕРМАН, Е.В. ЗАХАРЕНКОВ, кандидаты техн. наук,

Т.А. ЖАМЛИХАНОВ, Е.С. МАЛКОВ, аспиранты

Приводится анализ возможностей современных программных комплексов по расчету и проектированию технологических схем и теплоэнергетического оборудования паротурбинных, парогазовых и испарительных установок.

Ключевые слова: технологические схемы, паротурбинные, парогазовые, испарительные установки, проектирование, расчет, программные комплексы.

INNOVATIONS IN THERMAL DIAGRAMS DESIGNING OF STEAM TURBINE UNITS, STEAM GAS PLANTS AND EVAPORATOR INSTALLATIONS

A.V. MOSHKARIN, Doctor of Engineering, B.L. SHELYGIN, G.I. DOVERMAN, E.V. ZAKHARENKOV, Candidates of Engineering,

T.A. ZHAMLIKHANOV, E.S. MALKOV, Post Graduate Students

The authors carry out the analysis of the modern bundled software on calculating and designing manufacturing schemes and heat engineering equipment of steam turbine units, steam gas plants and evaporator installations.

Key words: manufacturing schemes, steam turbine units, steam gas plants, evaporator installations, designing, calculation, bundled software.

Создание программных комплексов по проектированию тепломеханической части ТЭС имеет своей целью получение проектного решения по исходным условиям (данным) для нового или модернизируемого объекта (заданной единичной мощности, климатическим, режимным, региональным и др.). Наиболее полное техническое представление об объекте требуется как на уровне тендерного проекта, так и на первом этапе рабочего проектирования, когда ведется разработка технологических схем, выбор вспомогательного оборудования, арматуры и т.д. [1].

Структура программных комплексов ориентирована на два вида проектных задач:

1) типовые, построенные на логике сочетания известных проектных решений;

2) новые, научно и технически обоснованные проектные решения, получаемые из набора типовых элементов (подогревателей, отсеков паровых и газовых турбин, насосов, конденсаторов, котлоагрегатов и его отдельных поверхностей нагрева, компрессоров), а также связей между элементами в виде трубопроводов теплоносителей (воды, пара, газа, воздуха).

Реализация первого вида задач проводится на основе апробированной математической модели объекта проектирования или моделей укрупненных его частей путем соединения их последовательностью командных меню, построенных по универсальному алгоритму выполнения этапов проектирования (рис. 1, 2).

Реализация второго вида задач выполняется на основе математических моделей базовых элементов, значения выходных параметров

которых являются входными для того элемента, к которому идет присоединение, осуществляемое по команде пользователя или путем графической интерпретации связи на экране монитора (рис. 3, 4, 5).

В том и другом случаях создание технологических схем объекта реализуется с помощью компьютерной графики. В первом случае графика носит иллюстрирующий характер, обеспечивает визуальную проверку правильности принятого технологического решения и контроль ввода данных (рис. 1, 2, 4, 5).

Во втором случае графика носит «командный» характер по последовательности связей элементов объекта в технологическую цепочку, которая реализуется пользователем с помощью «мыши», определяя тем самым алгоритм расчета. Такие программные комплексы, дополненные соответствующими компонентами, следует рассматривать как САПР технологических схем ТЭС, АЭС, ПГУ.

К программным комплексам и САПР тепловых схем ТЭС, АЭС, ПГУ, ГТУ, нашедшим применение в проектных институтах и технических университетах теплоэнергетического профиля, относятся отечественные и зарубежные разработки, такие как OMEGA, ver. 3.1 (ИГЭУ, Россия) [2], UNITED CYCLE (C-Пб. ГТУ, Россия), BOILER DESIGNER («ОПТСИМ-М»[3], Россия-Германия), Thermoflow (США), «Моделирование и расчет автономных многоступенчатых испарительных установок», «Моделирование испарительных установок мгновенного вскипания башенного типа» [4].

а)

б)

Рис. 1. Экранная форма командного меню в программе «Моделирование и расчет испарительных установок мгновенного вскипания башенного типа»

а)

б)

Рис. 2. Экранная форма командного меню расчета тепловых схем автономных многоступенчатых испарительных установок ТЭС в программе «САПР МИУ»

а)

б)

Рис. 3. Графическая реализация расчетной тепловой схемы блока мощностью 300 МВт в программе OMEGA: а - пример выноса графического изображения подогревателя с пароохладителем и охладителем дренажа из банка графических образов на поле монитора; б - вид расчетной схемы с кодированием расчетных узлов

Рис. 4. Графическое представление на мониторе расчетной тепловой схемы блока ПГУ-410 (GT-26 и Т-115) с результатами расчета в теплофикационном режиме работы в программе GT PRO

шв

Рис. 5. Графическое представление на мониторе расчетной тепловой схемы паротурбинного блока мощностью 200 МВт с результатами расчета в программе STEAM PRO

Перечисленные САПР различаются возможностями выполнения конструкторского и поверочного расчетов. При конструкторском расчете вычисления ведутся по заданным значениям температурных напоров в оборудовании, которые принимаются по нормируемым или рекомендуемым величинам. Поверочные расчеты проводятся при известных величинах поверхностей теплообмена основного и вспомогательного оборудования (котлов, подогревателей, конденсаторов и т.д.).

Ряд САПР выполняют функции только конструкторского расчета и служат для определения технических показателей в номинальном режиме работы блока. Оценка показателей переменного режима работы в таких САПР считается весьма приближенной, так как значения недогревов воды и температурных напоров, а также КПД проточных частей в зависимости от нагрузок в этом случае необходимо задавать, что может сделать только опытный технолог, и то, с определенной степенью погрешности. К таким САПР относятся OMEGA, UNITED CYCLE и ряд программ, входящих в состав Thermoflow (GT PRO, STEAM PRO).

Достоинством двух последних САПР является простота получения типового решения и быстрое освоение навыков работы с программой на основе командных меню.

Достоинством отечественных программ OMEGA, UNITED CYCLE является наличие банка данных готовых технологических схем отечественных блоков, а также возможность внесения структурных изменений в технологическую схему (изменение связей между элементами, замена типов элементов и т.д.) для сравнительной оценки показателей альтернативных вариантов.

В Thermoflow, в отличие от OMEGА, UNITED CYCLE, предусмотрена возможность передачи полученных результатов конструкторского расчета с найденными значениями поверхностей теплообмена, характеристиками основного и вспомогательного оборудования из GT PRO, STEAM PRO в специальные программы GT MASTER и STEAM MASTER, обеспечивающие поверочные расчеты, в которых значения поверхностей теплообмена и характеристики оборудования зафиксированы и используются в качестве исходных данных. Эта возможность позволяет в переменных режимах работы оборудования рассчитывать значения темпера-

турных напоров и недогревов и получать более точные результаты показателей работы оборудования в целом. Аналогичные возможности имеет САПР ВОILER DESIGNER, в которой предварительно полностью определяется конструкция котла и только затем проводятся расчеты переменных режимов блока в целом при условии присоединения к котлу модели паротурбинной установки [3].

Представление результатов расчета (значений мощности, расходов теплоносителей, термодинамических параметров и др.) в различных САПР может выполняться либо в табличном виде в соответствии с нумерацией элемен-

тов схемы (рис. 6, 7), либо в виде боксов со значениями параметров и расходов теплоносителей в характерных точках технологической схемы (рис. 4, 5), заданных пользователем на тепловой схеме, отображаемой на экране дисплея. Такие возможности обеспечивают высокую наглядность при оперативном сравнении альтернативных вариантов схем и режимов работы блока. Вывод значений расходов и параметров теплоносителей в характерных точках графического отображения схемы применен в САПР UNITED CYCLE и Thermoflow (GT PRO, STEAM PRO GT MASTER, STEAM MASTER, ^егтоАех), что является несомненным их достоинством.

Рис. 6. Табличный вывод результатов расчета в соответствии с кодом узла (элемента) схемы в программе OMEGA

9 PEACE/GT PRO 20.0.1 - Project Output [C:\Documents and Settings\Xo3flHH\Desktop\GT РНО\ПГУ\ПГУ400Р$(Т115)ТКраснодарская T3U,.gtp]

Файл Редактировать Вид Ценовые коэффициенты Помощь

Предварительная проработка Схемы 1 Спецификация |

Кап. затраты | Денежный поток | Графики 1 Текст

Стоимость проекта У Основное оборудование У Прочее оборудование У Инфраструктура Прочие и непредвиденные затраты | |

Строительно-монтажные работы Т Электротехническое оборудование У Здания и сооружения У Проектирование и пусконаладочные работы 1

Материал Рабочее время Ставка заработной платы Стоимость агрегата Количество Базовая стоимость Расчетная стоимость

IV Строительно-монтажные работы 28 734 ООО 33 218 ООО

1. Транспортировка на площадку Ь Монтаж 2 Б80 ООО 2 G80 ООО 3 082 ООО

2. Установка оборудования 1 283 ООО 209 850 40 9 G78 ООО 11 840 ООО

Комплект ГТУ 150 500 26 260 40 1 201 000 1 1 201 000 1 471 000

Комплект поставки ПТ 131 750 22 880 40 1 051 ООО 1 1 051 ООО 1 287 000

КУ 614 200 107150 40 4 899 000 1 4 899 000 6 001 000

Конденсатор 8 400 1 470 40 67 000 1 67 000 82100

Градирня

Система подготовки подпигочной воды

Дополнительный котел

Электротехническое оборудование 132 400 23 090 40 1 056 000 1 294 000

Система охлаждения на входе ГТУ

Дожимной топливный компрессор 7 880 1 100 40 51 850 2 103 700 126 500

Насосы 12 380 2160 40 98 750 120 950

Tanks + Auxiliary Heal Exchangeis 48 620 8 480 40 387 850 475 050

Сетевой подогреватель (и) 2 070 3G1 40 16 530 20 250

Станционные/агрегатные воздушные компрессора 1 520 265 40 12100 14 820

Мостовой кран (ы) 4 760 830 40 37 950 46 490

Генераторная установка (и) поршневого двигателя

Прочее 160 850 14 640 40 746 500 901 000

3. Трубопроводы 10 104 ООО 12G 500 40 549 8 420 15 1Б5 ООО 16 935 ООО

Пар высокого давления 719 800 11 870 40 8160 146т 1 195 000 1 349 000

Пар холодного ПП 12G 750 3G30 40 1 G80 162 m 272 050 314 750

Пар горячего ПП 444 500 8110 40 4 950 155т 7G8 900 872 200

Пар среднего давления

Пар низкого давления 95 ООО 3 270 40 1 300 173т 225 950 263 400

Пар стороннего источника 4 557 000 22 580 40 G9 950 78.03 m 5 4G0 000 5 913 000

Циркуляционная вола 222 600 2 700 40 543 610т 330 750 368 900

Вспомогательная ОВ 301 200 12 460 40 489 1 640 т 799 800 939 500

Питательная вода 312 350 7 980 40 1 270 497 т G31 700 727 200

Другая вода 90s 600 11 870 40 8 070 171 m 1 382 000 1 546 000

Система Охлаждения/Подогрева на входе в ГТУ

Сырая вода 61 050 3 300 40 406 476 т 193 000 229 050

Техническая вода 122 550 5 8G0 40 348 1 030 т 357 050 421 800

Сточные воды другое

Отборы пара/воды другое

Вода для коммунально-бытового водоснабжения другое

Клапана

Газообразное топливо 596 600 10 280 40 1 850 544 т 1 008 000 1 141 000

Жидкое топливо

Смазочное масло 223 050 4 4g0 40 3 280 123т 401 350 457 050

Сжатый воздух

Отбор воздуха ГТУ

Технологический воздух 20 500 2 470 40 155 770 т 118150 144 850

Воздух под разряжением 32 570 813 40 2 350 27.74 m 65100 74 850

Регулировочный потенциометр другое

Примечание:Из-за округления итоги могут быть не подведены. Currency conversion: 1 USD per US Dollar

Z

Рис. 7. Табличный вывод результатов технико-экономических расчетов ПГУ-410 в программе PEACE

Thermoflow имеет в своем составе программу PEACE, обеспечивающую проведение технико-экономических расчетов по блоку в целом и по отдельным видам оборудования. Этими возможностями не обладает ни одна из других программ.

Использование программных комплексов в научных исследованиях в последние годы позволило расширить области поиска оптимальных параметров и эффективных тепловых схем паротурбинных блоков на суперсверхкритиче-ские параметры и схемы испарительных установок ТЭС, выполнить оценку эффективности режимов работы реальных ПГУ [2, 4].

Приобретение указанных САПР рядом отечественных фирм и проектных организаций, энергомашиностроительными заводами требует внедрения в учебный процесс этих программных комплексов и от технических университетов энергетического профиля. К сожалению, энергетическая отрасль не спешит оснащать вузы такими дорогостоящими САПР, что, на наш взгляд, является серьезной ошибкой, сдерживающей инновационные процессы в энергетике.

Обучение российских студентов работе с отмеченными САПР ведется в двух энергетических университетах страны: Московском и Ивановском. Выпускники, получившие навыки работы с программными продуктами, уже сегодня приглашаются в фирмы и проектные институты, которые ведут свои разработки на основе перечисленных и аналогичных САПР.

Список литературы

1. Технология проектирования ТЭС и методы ее компьютеризации / Н.Б. Ильичев и др.; под ред. А.В. Мошка-рина, В.Н. Нуждина. - М.: Энергоатомиздат, 1997. - 234 с.

2. Мошкарин А.В., Мельников Ю.В. Анализ тепловых схем ТЭС / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина». - Иваново, 2010. - 460 с.

3. Расчет котельных агрегатов с использованием современных программных продуктов: учеб. пособие / Г.И. До-верман, Б.Л. Шелыгин, А.В. Мошкарин, Ю.В. Мельников. -ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина». - Иваново, 2007. - 220 с.

4. Мошкарин А.В., Мошкарин А.А. Анализ схем испарительных установок ТЭС / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина». -Иваново. - 272 с.

Мошкарин Андрей Васильевич,

ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой тепловых электрических станций, адрес: г. Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34, корп. В, ауд. 419, телефон (4932) 41-60-56, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Шелыгин Борис Леонидович,

ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», кандидат технических наук, профессор кафедры тепловых электрических станций, адрес: г. Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34, корп. В, ауд. 408, телефон (4932) 41-60-56, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Жамлиханов Тимур Абдульверович,

ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»,

аспирант кафедры тепловых электрических станций,

адрес: г. Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34, корп. В, ауд. 408,

телефон (4932) 41-60-56,

e-mail: admin@tes.ispu.ru

Малков Евгений Сергеевич,

ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»,

аспирант кафедры тепловых электрических станций,

адрес: г. Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34, корп. В, ауд. 408,

телефон (4932) 41-60-56,

e-mail: admin@tes.ispu.ru

Доверман Григорий Иосифович,

ООО «Оптсим -К», г. Москва,

кандидат технических наук, генеральный директор,

телефон (495)386-80-29,

e-mail: optsim@comtv.ru

Захаренков Евгений Владимирович, «Thermoflow», г. Москва,

кандидат технических наук, маркетинговый представитель, e-mail: Zakharenkov@thermoflow.ru