Эксергетический метод оценки эффективности бинарных ПГУ-ТЭЦ

УДК 621.311

Ю.М. Хлебалин

ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ

БИНАРНЫХ ПГУ-ТЭЦ

Представлен эксергетический метод оценки эффективности бинарных ПГУ-ТЭЦ. Рассмотрен методический подход к использованию эксергетического метода для распределения расхода топлива ПГУ-ТЭЦ между электроэнергией и тепловой. Приведен конкретный пример расчета для парогазовой бинарной ПГУ-170Т основных экономических показателей установки с помощью эксергетического метода. Определена экономия условного топлива от теплофикации с применением парогазовой установки ПГУ-170Т по сравнению с раздельной схемой КЭС и РК.

Эксергетический метод, ПГУ-ТЭЦ, экономия условного топлива, теплофикация

Y.M. Khlebalin

EXERGY METOD ESTIMATING THE EFFICIENCY OF BINARY CCP-TPP

Presented is on exergue method of assessing the effectiveness of binary CCP-TPP. Considered is a methodological approach to application of the exergue method for CCP-TPP fuel distribution between the electricity and heat. Specific example of the exergue calculation of the major economic parameters is performed for the binary vapor - gas combined cycle plant CCP-170T. determined is a value of the equivalent fuel saving (compared to the separate schemes) due to power-and heat generation using combined - cycle plant CCP-170T.

Exergue method, CCP-TPP, equivalent fuel saving, power-and heat generation

Эксергетический метод применяется для анализа эффективности любых энергетических установок. В отличие от энтальпийного этот метод основывается как на I, так и II законе термодинамики и учитывает не только количество, но и качество энергии.

Неучет качества энергий вызывает ошибки при вычислении КПД различных установок.

Для повышения эффективности тепловых электростанций, сжигающих природный газ, проектируют комбинированные парогазовые установки, в том числе бинарные ПГУ-ТЭЦ, как наиболее эффективные среди других установок.

В данной статье предпринята попытка оценить эксергетическим методом эффективность бинарной ПГУ-ТЭЦ.

Исследуемая ПГУ-ТЭЦ (ПГУ-170Т) состоит из газотурбинной установки ГТУ-110, котла утилизатора, и паровой турбины Т-60-7/0,12 [1].

Технические характеристики ГТУ-110 и Т-60-7/0,12 приняты по данным [2]:

- для ГТУ-110: электрическая мощность - 110 МВт, КПД - 34,1%, температура выхлопных газов - 524оС;

- для Т-60-7/0,12: электрическая мощность - 60 МВт, начальные параметры пара - 7 МПа и 500оС, температура питательной воды - 159оС, тепловая мощность в зимнем режиме 100 и в летнем - 30 МВт, температура прямой и обратной сетевой воды в зимнем режиме -115/70, в летнем - 70/40оС, давление пара в теплофикационном отборе в зимнем режиме -0,198, а в летнем - 0,12 МПа, давление пара в конденсаторе - 0,004 МПа.

Длительность зимнего режима для Поволжья (Саратов) принята равной пз = 4780, летнего пл = 3980 ч/год.

Средняя температура окружающей среды зимой - 1;о = - 11,9оС, летом - 1;о = 22,1оС [3].

Эксергетический КПД для любой системы и энергетической установки в общем виде запишется:

„ Е' УЕ'-УДЕ , УДЕ

п = У ^ ,— = 1 -——г,

Іех Е' У Е' У Е'

где У Е', У Е'' - суммарные затраты эксергии на входе и выходе системы; У ДЕ - суммарные эксергетические потери в системе или в любой ее части. Для идеальных циклов У ДЕ = 0 и пех = 1, для реальных циклов любых установок У ДЕ > 0 и Пех < 1.

Эксергетический КПД по производству электрической энергии ПГУ-ТЭЦ рассчитываем по формуле

У Е У N пэ

Пэ = _____і—і N______ = _______і—і пгу 1сн________

1ех = У е - у е = в • ор - у о -т -п ,

топ т пгу ^-н ех I сн

где У ЕN , У Ет, У Етоп - суммарная эксергия электроэнергии, теплоты и топлива сжигаемого на ПГУ-ТЭЦ; У ^ - суммарная электроэнергия, выработанная на ПГУ-ТЭЦ; Впгу -

топливо, израсходованное на ПГУ-ТЭЦ; Ор - низшая теплота сгорания условного топлива;

Т

У о т - отпущенная теплота из отборов турбины; тех = 1 -—~ - эксергетическая температур-

Тср

ная функция; То, Тср - температура окружающей среды и средняя температура отборного пара; пэн, ПІ - коэффициенты электрических и тепловых потерь ПГУ-ТЭЦ.

В результате расчета тепловой схемы турбины Т-60-7/0,12 с учетом всех потерь имеем: в зимнем режиме расход пара на турбину До = 79,67 кг/с, электрическая мощность N п = 61,2 МВт; в летнем режиме ДЦ = 58,5 кг/с, N Ц = 60,44 МВт.

Электрическая мощность ГТУ в зимнем режиме N Лу = 110 МВт, в летнем - режиме N л = 90 МВт. Таким образом, суммарная электрическая мощность ПГУ - 170 Т в зимнем

режиме N = 171,2 МВт, в летнем - N = 150,44 МВт. Электрический КПД ГТУ принят в

Г пгу 5 5 пгу 5 ~ Г

зимнем режиме пэ = 0,341, в летнем - пэ = 0,327 [4].

г і гту і гту 5 -1

Расход топлива на ГТУ рассчитаем по формуле

N - п

гту

1 гту ^-н

Для зимнего режима при N3 = 110 МВт, Nл = 90 МВт, пэ = 0,341, Ор = 29330

гту гту гту н

кДж/кг, п Эн = 0,95 имеем: В Эту = 10,45 кг/с; для летнего режима при N Лу = 90 МВт, п Эту = 0,327, пэ = 0,95 имеем: Вл = 8,915 кг/с.

I сн 5 гту 5

э

Расход топлива на ПГУ-ТЭЦ принят равным расходу топлива на ГТУ, сжигаемого в камере сгорания и выхлопные газы утилизируются в котле утилизаторе без дополнительного дожигания топлива.

Суммарная эксергия теплоты отпускаемой потребителю определяется по формуле:

Е Ет = Е ^т -тех<н.

Для зимнего режима при Qт = 100 МВт, То = - 11,9 + 273 = 261,1 К; Тср = 120 + 273 = 393 К, тз = 0,3357, пт = 0,95 имеем Ез = 31,89 МВт.

’ ех ’ ’ I сн ’ т ’

Для летнего режима при Qт = 30 МВт, То = 22,1 + 273 = 295,1 К; Тср = 104 + 273 = 377 К, тл = 0,217, пт = 0,95 имеем Ел = 6,18 МВт.

ех сн т

Эксергетический КПД по производству электроэнергии рассчитаем по формуле

(К + N )пэ

пэ = V гху----------п> и .

1ех В • Qр - Qтnт

пгу ^ н ^ т ех 1 с

Для зимнего режима при N Лу = 110 МВт, N Зп = 61,2 МВт, В^^ 10,45 кг/с, Qр = 29330 кДж/кг, пЭн = 0,95, АЕт = Qт • ^х П1 = 31,89 МВт имеем пЭх = 0,592; для летнего режима при

-н ех 1сн

[з = 110 МВт, N3 = 61,2 МВт, В3 = 10,45 кг/с, Qp:

гту 5 п 5 5 пгу 5 5 ^-н

13 = 0,95, ДЕ3 = Q3 • Т3 • Пт = 31,89 МВт имеем П

сн т т ех сн ех

Nл = 90 МВт, Nл = 60,44 МВт, Вл = 8,915 кг/с, пт = 0,95, ДЕл = 6,18 МВт имеем П =

гту 5 п 5 5 пгу 5 5 I сн 5 5 т 5 I ех

0,5466.

Расчет коэффициента учитывающего долю расхода топлива на производство электроэнергии производим по формуле

К = £ Е N - £ Ет •ПЭх =

' £ Е N (N + N п П '

При этом экономия топлива от комбинированного производства продукции на ПГУ-ТЭЦ относится на производство теплоты.

Для зимнего режима при Nз = 110 МВт, Nз = 61,2 МВт, пэ = 0,95, Q3 = 100 МВт,

гту п сн т

Т3х = 0,3357, птн = 0,95, П3х = 0,592 имеем Кэ = 0,8839; для летнего режима при N ^ = 90 МВт, Nл = 60,44 МВт, пэ = 0,95, Qл = 30 МВт, Тл = 0,217, пт = 0,95, Пл = 0,5466 имеем Кл =

п сн т ех сн ех э

0,976.

Расходы топлива на производство электрической и тепловой энергии составят:

В3 = В3 -К3 = 10,45-0,8839 = 9,2367 кг/с;

э пгу э

Вл = Вл Кл = 8,915-0,976 = 8,701 кг/с;

э пгу э

Вз = В3 - В3 = 10,45 - 9,2367 = 1,2183 кг/с;

т пгу э

В 1 = В л - В 1 = 8,915 - 8,701 = 0,214 кг/с.

т пгу э

Удельный расход условного топлива на производство электроэнергии рассчитаем по формуле:

з 0,123 0,123

- зимний режим: в =--------------=----------= 0,2077 кг у.т./

э П 0,592

1 ех “

л 0,123 0,123

- летний режим: в =--------------=----------= 0,225 кг у.т./(кВт-ч).

э пл 0,5468

ех

Удельный расход условного топлива на производство теплоты для потребителя составит:

з В3 • 103 1,2183-103

- зимний режим: в = —т------------=--------------------= 38,046 кг у.т./ГДж.

т Е3 31,89

т “

л Вл • 103 0,2 1 4• 103

- летний режим: в =--------------=---------------= 34,63 кг у.т./ГДж.

т Ел 6,18

т

Среднегодовые удельные расходы условного топлива на производство электроэнергии и теплоты рассчитаем по формулам:

г в3 • п + вл • п г в3 • п + вл • п

вг _ э_з_э__________^ . вг _ т__з____т____^

э , ’ т ' '

п + п п + п

з л з л

Для зимнего и летнего режимов Пз = 4780 ч/год; Пл = 3980 ч/год, вэ = 0,2077 кг

у.т./(кВт-ч), в л = 0,225 кг у.т./(кВт-ч), вт = 38,046 кг у.т./ГДж, в^! = 34,63 кг у.т./ГДж имеем

вЭ = 0,215 кг у.т./(кВт-ч) и в^ = 35,67 кг у.т./ГДж (149,48 кг у.т./Гкал).

Экономию условного топлива от комбинированного производства электроэнергии и теплоты на ПГУ-170Т по сравнению с раздельной схемой выработки электроэнергии и теплоты на КЭС и РК оценим по формуле

АВ — Эгод

где Эгод, QГ0Д - годовое производство электроэнергии и теплоты; вкэс, в э - удельные расходы

условного топлива на выработку электроэнергии на КЭС и ПГУ-170Т; врк, вт - удельные расходы условного топлива на отпуск теплоты от РК и ПГУ-170Т; 5Впот - потери условного топлива при транспорте продукции по тепловым и электрическим сетям.

Годовая выработка электроэнергии на ПГУ-170Т составила Эгод = 1346,2-10б

3

кВт-ч/год, годовой отпуск теплоты потребителю QГ0Д = 504,272-10 Гкал/год.

При значениях вкэс = 0,310 кг у.т./(кВт-ч), вэ = 0,215 кг у.т./(кВт-ч), врк = 180 кг у.т./Гкал, вг = 149,48 кг у.т./Гкал, 5Впот = 10% от АВ т.у.т./год имеем АВ = 128,6-103 т.у.т./год.

Выводы:

1. Для оценки эффективности бинарных ПГУ-ТЭЦ предлагается использовать эксэр-гэтичэский метод, учитывающий I и II законы термодинамики.

2. Экономия условного топлива от комбинированного производства электроэнергии и теплоты на ПГУ-170Т по сравнению с раздельной схемой КЭС и РК составила 128,6-10 т.у.т./год.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хлэбалин Ю.М. Оценка эффективности бинарных ПГУ-ТЭЦ // Промышленная энергетика. 2006. №12.

2. Первый отечественный одновальный парогазовый энергоблок ПГУ-170Т / О.Н. Фаворский, В.И. Длугосэльский, А.С. Земцов, С.С. Трушин // Теплоэнергетика. 2001. №5.

3. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: Изд-во МЭИ, 1999.

4. Бэрэзинэц П.А., Васильев М.К., Ольховский Г.Г. Бинарные ПГУ на базе газотурбинной установки средней мощности // Теплоэнергетика. 1999. №1.

Хлебалин Юрий Максимович - Hlebalin Yury Maksimovich -

доктор технических наук, профессор Doctor of Technical Sciences, Professor of

кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского chair «Power system» Saratov state technical

государственного технического университета university