Сравнительный анализ котлов-утилизаторов вертикального и горизонтального типа

УДК 621.311.22

Сравнительный анализ котлов-утилизаторов вертикального и горизонтального типа

Мошкарин А.В., д-р техн. наук, Шелыгин Б.Л., канд. техн. наук, Жамлиханов Т.А., асп.

Приведены результаты сравнительного анализа котлов-утилизаторов вертикального и горизонтального типа для различных парогазовых установок. Показана экономическая эффективность применения вертикальной конструкции котла-утилизатора.

Ключевые слова: котел-утилизатор, парогазовая установка, газовая турбина, вертикальная конструкция, чистый дисконтированный доход, срок окупаемости, программный комплекс, экономический эффект.

^mpa^^e analysis of vertical and horizontal HRSG

Moshkarin A.V., doctor of science, Shelygin B.L., candidate of science, Zhamlihanov T.A., graduate student

Results of comparative analysis of vertical and horizontal HRSG for various CCGT types are presented. Economic efficiency of use of a HRSG with vertical design is shown.

Keywords: the caldron utilization, vapour gas installation, gas turbine, vertical design, clean discount incom, pay-back period, program software, economic effect.

Одним из ключевых направлений развития отечественной и зарубежной теплоэнергетики является внедрение парогазовых установок [1, 2]. Согласно «Энергетической стратегии России до 2020 г.», предстоит замена старого оборудования ТЭС на новое, более эффективное, на основе ПГУ.

Актуальным является проектирование котлов-утилизаторов (КУ) для вновь вводимых блоков ТЭС.

Существуют котлы-утилизаторы вертикальной и горизонтальной компоновки поверхностей нагрева. Задачами настоящего исследования являлось:

• сравнение технических характеристик котлов-утилизаторов горизонтального и вертикального типа;

• выбор котла-утилизатора с наилучшими экономическими показателями для ПГУ.

Для решения поставленных задач были разработаны модели котлов-утилизаторов вертикального и горизонтального типа (на основе программного комплекса Boiler Designer фирмы Optsim-K [3]) для моноблоков:

• ПГУ-40 c ГТУ SGT-700 фирмы Siemens мощностью 28,33 МВт и КПД по выработке электроэнергии 34,83 %;

• ПГУ-250 c ГТУ V94.2a фирмы Siemens мощностью 190 МВт и КПД по выработке электроэнергии 36,41 %;

• ПГУ-410 c ГТУ M701F4 фирмы Mitsubishi Heavy Industries (MHI) мощностью 303,4 МВт и КПД по выработке электроэнергии 38,2 %.

Основные исходные характеристики спроектированных котлов-утилизаторов следующие:

1. Для ПГУ-410 - трехконтурный КУ с промперегревом номинальной паропроизводи-тельностью 414 т/ч; параметры пара высокого

давления - 12,5 МПа, 568 оС, среднего давления (после промперегрева) - 3,12 МПа, 568 оС, низкого давления - 0,52 МПа, 235,3 оС.

2. Для ПГУ-40 - двухконтурный КУ номинальной паропроизводительностью 45 т/ч; параметры пара высокого давления - 5,5 МПа, 487 оС, низкого давления - 0,62 МПа, 212 оС.

3. Для ПГУ-250 - одноконтурный КУ номинальной паропроизводительностью 250 т/ч; параметры пара высокого давления -13,5 МПа, 550 оС.

Расчеты выполнялись для условий 1БО 2314.

Утилизация части теплоты уходящих газов ГТУ в котлах-утилизаторах связана с повышением сопротивления выходного тракта и ростом давления газов за газовой турбиной (табл. 1), что приводит к снижению электрической мощности автономно работающей ГТУ. Это влияние можно оценить с помощью зависимостей, описанных в [4].

Коэффициент уменьшения электрической мощности рассчитывается как

Км = Мгэ /Мгэавт = 1 - 0,555рГТ,х,

где МЭ;авт - мощность ГТУ при работе в автономном режиме; брЫ = ДРмх / Ратм - относительная потеря давления на выходе газов турбины; брЫ - дополнительное аэродинамическое сопротивление на выходе ГТУ (в результате установки КУ).

Коэффициент уменьшения КПД производства электроэнергии равен

Кп = ПЭ / Пгэавт = 1 - 0,55брВЫх,

где пЭавт - КПД производства электроэнергии ГТУ в автономном режиме.

Таблица 1. Основные технические характеристики котлов-утилизаторов

Наименование величины ПГУ-40 ПГУ-250 ПГУ-410

Тип котла- Тип котла-утилизатора Тип котла-утилизатора

Горизон- тальный Верти- кальный Горизон- тальный Вертикаль- ный Горизон- тальный Верти- кальный

Средний коэффициент теплопередачи, Вт/ (м2К) 42,16 42,6 27,212 27,478 30,6 33,27

Паропроизводительность, т/ч 45,2 45,5 250,4 250,6 413,8 414,26

Суммарная поверхность, м2 22353 20811 189102 167366 263735 262562

Удельная паропроизводительность, т/(чм2) 0,002022 0,002186 0,001324 0,001497 0,001569 0,001578

Аэродинамическое сопротивление, кПа 2,842 2,675 1,87 1,461 3,56 3,38

КПД, % 85,12 85,4 83,2 83,6 85,2 85,36

Таблица 2. Оценка снижения потерь мощности ГТУ

Тип ГТУ Наименование величины

Nl.aem, МВт n%aem, % akn AKn AN% , МВт АлЭ , %

SGT-700 Siemens для ПГУ-40 28,33 34,83 0,000906 0,000906 0,025681 0,031573

V94.2a Siemens для ПГУ-250 190 36,41 0,00222 0,00222 0,421816 0,080833

M701F4 MHI для ПГУ-410 303,4 38,2 0,000977 0,000977 0,296438 0,037323

Таблица 3. Данные инвестиционных проектов

Наименование величины ПГУ-40 ПГУ-250 ПГУ-410

К, млрд руб. 2,812 6,1 10,12

Тж, лет 20 20 20

Я, % 12 12 12

а, % 5 5 5

Таблица 4. Результаты технико-экономической оценки горизонтальной и вертикальной компоновок котлов-утилизаторов

Наименование величины ПГУ-40 ПГУ-250 ПГУ-410

Тип котла-утилизатора Тип котла-утилизатора Тип котла-утилизатора

Горизон- тальный Вертикаль- ный Горизон- тальный Вертикаль- ный Горизон- тальный Вертикаль- ный

Суммарные годовые затраты, млрд руб/год 1,102 1,102 3,94 3,94 5,52 5,52

Э, млрд руб/год 0,325 0,326 0,686 0,688 1,102 1,103

П, млрд руб/год 0,4006 0,4014 0,8538 0,8554 1,3876 1,3884

Тр, лет 7,0194 7,0054 7,1445 7,1311 7,2931 7,2889

ЧДД, млрд руб. 0,1802 0,1862 0,2774 0,2893 0,2446 0,2505

Таким образом, с учетом уравнений (1) и (2) можно оценить снижение потерь мощности ГТУ при использовании вертикального котла-утилизатора вместо горизонтального.

Анализ основных характеристик котлов-утилизаторов (табл. 1) показывает, что аэродинамическое сопротивление КУ вертикального типа ниже, чем у КУ горизонтального типа.

Увеличение мощности ГТУ приводит к росту КПД и мощности блока ПГУ в целом (табл. 2).

В связи с этим интерес представляет оценка влияния типа КУ на экономическую эффективность проекта.

Основные технико-экономические показатели проекта определяются сроком окупаемости и чистым дисконтированным доходом [5].

Срок окупаемости рассчитывается по формуле

К К

Тр П , Л а  К ’

Э(1 - Н ) +

100

где К - величина инвестиций; П - поступления денежных средств в год; Э - экономический эффект; Н - ставка налога на прибыль; а - процент амортизации.

Чистый дисконтированный доход определяется как

ЧДД=2

t=1

П1

л

(1 + R)t

где Тж - срок жизни проекта; R - норма дисконта.

С помощью уравнений (3) и (4), а также данных табл. 3 рассчитываются критерии экономической эффективности проектов (табл. 4).

Заключение

Использование вертикальной конструкции котла-утилизатора является более эффективным на основании следующих техникоэкономических показателей:

• уменьшаются потери мощности и КПД ГТУ, а следовательно, повышается мощность и КПД всего цикла ПГУ;

• снижается металлоемкость котла вследствие более высоких значений коэффициентов теплопередачи;

• увеличивается доход от реализации проекта при более низком значении срока окупаемости.

Список литературы

1. Состояние и перспективы развития энергетики Центра России; Под ред. А.В. Мошкарина / Иван. гос. энерг. ун-т им. В.И. Ленина. - Иваново, 2000.

2. Анализ направлений развития отечественной теплоэнергетики; Под ред. А.В. Мошкарина / Иван. гос. энерг. ун-т им. В.И. Ленина. - Иваново, 2002.

3. Доверман Г.И. Руководство для пользователей

«Справочные материалы по программе BOILER

DESIGNER» / OPTSIM-K. - М., 2004.

4. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций; Под ред. С.В. Цанева. - М.: Изд-во МЭИ, 2002.

5. Битеряков Ю.Ф. Экономика энергетического предприятия: Учеб. пособие. / Иван. гос. энерг. ун-т им. В.И. Ленина. - Иваново, 1997.

Мошкарин Андрей Васильевич,

Ивановский государственный энергетический университет,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой тепловых электрических станций, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Шелыгин Борис Леонидович,

Ивановский государственный энергетический университет,

кандидат технических наук, профессор кафедры тепловых электрических станций, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Жамлиханов Тимур Абдульверович,

Ивановский государственный энергетический университет, аспирант, ассистент кафедры тепловых электрических станций, телефоны: (4932) 37-74-60, 8-915-821-56-26.