Арсеньев Л.В., Тырышкин В.Г. Комбинированные установки с газовыми турбинами

Подождите немного. Документ загружается.

Парогенератор (НПГ) выполняется газоплотным, работает при

избыточном давлении

(0,002—0,004

МПа), поэтому дымососные

вентиляторы отсутствуют. Конструктивно НПГ мало отличается

от обычных котлов, поэтому может работать на различных видах

топлива, в том числе и на твердом. По расположению оборудова-

ния в этой схеме ГТУ является как бы надстройкой паротурбин-

ной установки, поэтому такая схема широко используется для

реконструкции паротурбинных установок, работающих на пони-

женных параметрах пара.

Различие в идеальном цикле схем ПГУ с ВПГ и с НПГ опре-'

деляется только процессами подвода теплоты сгорания топлива

i' e'

Рис. I 2. Идеальный (а) и реальный (б) циклы в

Ts-диаграмме

к пароводяному рабочему телу

3—6

—6

(рис.

1.2,

а).

По"-,

скольку при этих процессах работы не производятся, то, пренебре-

гая различиями в теплоемкости газа при его расширении в тур-

бине, легко показать, что циклы обеих установок совпадают,

а их термодинамические свойства близки. Поэтому все показатели

будут проанализированы применительно к ПГУс НПГ, а некоторые

различия будут показаны ниже.

При реальных процессах в турбомашинах доля утилизационной

теплоты

УТ

переданной после газовой турбины в паровой кон-

тур, возрастает (рис.

1.2,

б) за счет роста температуры газа

Поскольку величина

влияет на эффективность комбинирован-

ной установки, остановимся на теплообмене в газоводяном подо-

гревателе (ГВП).

Условия передачи утилизационной теплоты в ГВП определя-

ются температурным напором, который зависит не только от тем-

пературы питательной воды, но и от расхода пара через подогре-

ватель. Действительно, уравнение теплового баланса подогре-

вателя без учета потерь теплоты в окружающую среду имеет вид

г (Т Т 1

Иг

(Тс

Т \ (1

рг\'

—

ъ)

—"''вод

/ —

a)i

У*-

)

где d — относительный расход питательной воды, равный от-

ношению расхода воды

Bon

расходу

газа

;

рг

вод

—

средние теплоемкости газа и воды в газоводяном подог-

ревателе.

Из уравнения видно, что условием обеспечения минимальною

температурного напора во всех сечениях подогревателя

&Т

тп

—

является равенство d =

рт

/с

вод

(рис.

1.3).

При повышении расхода питательной воды d разность температур

)

>(7>

—

)

и в этом случае

- Т,) >

(Т

а)

т. е. минимальный температурный напор имеет место на холодном

конце подогревателя, а температура подогрева питательной воды

падает до значения

Для случая d <

рг

/с

воя

разность темпе-

ратур

(Т

Г.)

—

)

и ми-

нимальный температурный напор на-

блюдаются на горячем конце подо-

гревателя

ATmm

—

Tf.

На

холодном конце подогревателя тем-

пературный напор

(Т

—

)

растет,

а температура уходящих газов

этом

случае

повышается

(ГБ,).

Таким образом, максимальная

утилизация отходящей от газовой

турбины теплоты возможна только

при больших d. Если й

<С

рг

/с

рг

"--вод'

Рис.

1.3.

Процесс теплообмена

в газоводяном подогревателе в

Г^-диаграмме

то количество использованной в га-

зоводяном подогревателе теплоты

уменьшается.

При рассмотрении основных показателей установки удобно из

всего цикла комбинированной схемы выделить бинарную часть,

которая включает газовый контур и часть парового контура, обра-

зованного только на утилизационной теплоте

В этом случае

полезная работа

ПГУ

определяется

Нб.

Н'„,

(1.2)

где

— работа газового контура;

— работа бинарной

части парового контура, соответствующая площади

а—/—g;

Нп

— работа пара, обеспечиваемая теплотой сгорания топлива

<7?оп

на участке цикла

/—Ь—с—d

(см. рис.

1.2).

Для бинарной части цикла можно написать:

Не.

(

1 —

)

т)

—

ОвСрвГДпк

— 1)/

Г|

—

)Т1

—Т]

Г]

ут

Т|

(1.3)

Здесь т =

7УТ

— безразмерная температура;

т]

ут

— коэффи-

циент полезного действия утилизации, характеризующий теплоту

—

(Г

—

)

как долю общей отходящей теплоты

РГ

\T&

M)I

т. е.

(Т*

)/(Т

7\);

- к. п. д.

кругового парового цикла

а—f—g—а,

построенного на отходящей

теплоте

УТ

Работа парового контура

, определяемая теплотой сгора-

ния топлива

</топ,

будет равна

Ни

[(i

-if)-(i,-i

)].

(1.4)

Таким образом, удельную полезную работу парогазовой уста-

новки при

и л,,

можно записать

/1ПГУ

рг

((1

—

Я,<

'"*)

11г

—

СрвТ

("к

—

I)/

рг

Т]

11—

(1—

я,Г"

)г|г

—

т1т]

ут

т}

)

d[(i

—

{if

—

)].

(1.5)

Внутренний к. п. д. парогазовой установки будет определяться

выражением

К.

к + he.ud +

ЧГ

Если принять

то легко получить,

'/топ

('/топ

Поскольку

'1ПГУ

•

1ГУ

—

<Я

что

Сп

h -

"топ

);

Сп

f h.6.

ТОП

"Г

'топ

)

"ТОП/

(1-Р)(С

топ

Т^

^топ

то к. п. д. парогазовой установки будет

Здесь

т]б.

— к. п. д. бинарного цикла;

т)

— к. п. д. паровой

части, соответствующей циклу

f—Ъ—с—d—e

—g

(см. рис.

1.2,

а).

1.2.

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОГО КОНТУРА

НА ПОКАЗАТЕЛИ

ПГУ

В комбинированных установках тепловая схема и параметры

рабочего тела газового контура оказывают заметное влияние на

основные показатели. Длительное время велись дискуссии, на

которых высказывались мнения в пользу как простых, так и

сложных тепловых схем энергетических ГТУ. Однако в настоящее

время все энергетическое газотурбостроение идет по пути стро-

ительства ГТУ простой тепловой схемы, которая обеспечивает

максимальную надежность работы оборудования. Для отечествен-

ной энергетики разработана перспективная ГТУ, на базе которой

в будущем будет развиваться энергетическое газотурбостроение

[14]. Исходя из этих соображений, весь анализ показателей ПГУ

будет выполнен для простой тепловой схемы газового контура.

Полезная работа комбинированной установки

nry

К-

к +

— работа всего парового контура). Поскольку

зависит только от параметров пароводяного тела, то максимальная

полезная работа ПГУ будет определяться теми же условиями, ко-

торые обеспечивают максимальную работу ГТУ.

Более подробно рассмотрим влияние параметров газового кон-

тура на к. п. д. парогазовой установки. Для этого выражение

для определения к. п. д. [5] представим в виде

ЛИГУ

(

/г

г.

К.

-А)1{К.

4ух

К.

d),

(1.8)

где

— потери теплоты с уходящими газами, определяемые

температурой

;

— отвод теплоты в конденсатор.

Поскольку для парогазовых установок характерны большие

расходы пара, для которых d

>с

рг

/с

вод

то потери теплоты

будут определяться только минимальным температурным напо-

ром в газоводяном подогревателе

mln

зависят от пара-

метров газового контура в ПГУ величины

и d, которые

определяются начальными и конечными параметрами пара и

расходом топлива в НПГ. Поэтому для получения максимального

к. п. д. ПГУ необходимо обеспечить максимальную работу газо-

вого контура.

Полезная работа газового контура будет

/'г к =

Срг-Тз

(1 —

)

Т]

т —

СрвТу

(п',"

—

1)/т]

Из этого выражения видно, что с ростом

г)

полезная

работа повышается. Влияние степени повышения давления газа

более сложное. Оптимальное значение

можно получить из

условия

Jdn

= 0.

Это условие дает следующее выражение для определения

opt

гп

рв

Полученное выражение не учитывает гидравлических сопро-

тивлений в газовоздушном тракте газового контура. При учете

этих сопротивлений

где v — коэффициент, учитываю-

щий потери давления воздуха и газа в тракте ГТУ. Полезная

работа газоводяного контура при наличии потерь будет

/г

рг

Тз[\

—

]

т|

—

рв

Т\

(л

Уравнение для определения

opt

примет вид

Г1г.т-.|н

|'х

г-

-в/

(]л

Величина

я"opt

для ПГУ оказывается существенно меньше

ГТУ

оптимальной

Kop

для

получения максимального к. п. д. газо-

турбинной установки, что является крупным достоинством паро-

газовых установок, так как облегчает их создание и повышает

надежность работы оборудования газового контура. Соотношение

этих величин определяется уравнением

Следует отметить значительно меньшее влияние температуры

газа

и к. п. д. газовой турбины

т)

и компрессора

г\

на к. п. д.

ПГУ. Так, повышение

от 1200 до 1300 К увеличивает к. п. д.

ГТУ на

1,6—1,8

%, а к. п. д. ПГУ при этом растет не более чем

на 0,6—0,7 %

•

Уменьшенное влияние параметров газового контура на показа-

тели ПГУ определяется высоким значением расхода пара d и зна-

чительной долей работы парового контура, которая достигает

80—85 % от общей работы комбинированной установки.

1.3.

ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПАРА

И РАСХОДА ПАРА d НА ПОКАЗАТЕЛИ ПГУ

Влияние параметров пара на к. п. д. ПГУ связано с его рас-

ходом

поэтому прежде всего рассмотрим зависимость

т]

пгу

от относительного расхода пара d. Повышение d при заданных

начальных параметрах пара приводит к увеличению полезной

работы парового контура (площадь

а—Ъ

—с

—d

—е

на

рис.

1.2,

б), но при этом растет также и количество теплоты сго-

рания топлива (линия 4—6). Для определения влияния d рас-

смотрим выражение

dr\

uvv

ldd.

Легко показать, что на основании

(1.8)

д^пгу

<?ух

—

К.

УЙУ.

CI 1

[А

к+Лп.

d]*

' '

Возможны следующие случаи влияния расхода пара

1) при

дг|

пг

уШ

> 0 к. п. д. ПГУ растет с повышением

2) при

dr\

nry

/dd

0 к

.п.

д ПГУ растет при уменьшении

3) при

й)

пгу

=0 к. п. д. установки не зависит от рас-

хода пара.

Все эти случаи определяются числителем уравнения

(1.11),

согласно которому получим следующие условия изменения расхода

пара d [5].

>/t

/<7ух>

когда с ростом d к. п. д. ПГУ повышает-

ся, что говорит об экономической целесообразности увеличения

доли парового контура за счет теплоты сгорания топлива.

/г

< ft

когда с ростом d к. п. д. ПГУ падает,

что указывает на желательность повышения роли газового кон-

тура, а расход пара d увеличивать за счет теплоты сгорания топ-

лива нецелесообразно.

когда расход пара d не влияет на к. п. д.

ПГУ. Повышение расхода пара d в этом и в других случаях может

оказаться целесообразным с точки зрения повышения единичной

мощности установки.

Соотношения

характеризуют долю вырабо-

танной полезной работы, приходящейся на единицу отведенной

теплоты, соответствующего контура. Эти соотношения зависят

от степени совершенства принятой тепловой схемы контура и на-

чальных параметров рабочих тел.

Расчеты показывают, что при температуре

газа

около

1100

и параметрах пара современных ПТУ соотношение

близко

по величине к соотношению

Для оценки влияния d при различных характеристиках паро-

вого и газового контуров в ЛПИ были проведены расчеты расхода

удельной теплоты в ПГУ для ряда конкретных параметров рабо-

чих тел

[11

]. Основные данные, принимавшиеся при расчете цик-

лов: температура газа перед турбиной (турбинами)

— 1023 К;

температура воздуха перед компрессором

288

К; топливо —

природный газ с удельной теплотой сгорания

QJJ

= 48 000

кДж/кг;

политропический к. п. д. компрессора

т|

пол

= 0,9; внутренний

к. п. д. газовой турбины

= 0,88; температура уходящих

газов

= 393 К; потери давления в газовом тракте

НПГ

Ар

= 0,006 МПа. Эти данные принимались для всех вариантов неза-

висимо от схемы и расхода воздуха в газовом тракте. Для парового

контура были использованы характеристики турбинного обору-

дования, разработанного на ПО ЛМЗ.

Результаты выполненных расчетов, проведенных для двух

крайних значений рабочего давления парового контура, представ-

лены на рис.

1.4.

Здесь под

принимается экономия теплоты

сгорания топлива по сравнению

ПТУ тех же технических харак-

теристик. Соотношение между термической эффективностью паро-

вого и газового контуров позволяет наметить определенную тен-

денцию в выборе оптимального относительного расхода пара d.

Так, при закритических рабочих давлениях пара (рис.

1.4,

б)

целесообразно, как правило, применение максимально возмож-

ных значений d для получения наибольших к. п. д. парогазовой

установки. При этом коэффициент избытка воздуха топочной ка-

меры парогенератора должен быть минимальным и ограничиваться

возможностью полного сгорания топлива.

Эффективность увеличения d оказывается тем значительнее,

чем менее совершенна газовая часть установки. Такая закономер-

ность сохраняется для всех рассмотренных циклов, включая

циклы с промежуточным подводом теплоты. Характерно, что

термическая эффективность ПГУ с газовым контуром, обра-

зованным установкой

ГТ-100,

оказывается наименьшей, по-

скольку применение предельного охлаждения воздуха при

его сжатии в парогазовой установке

оказывается

неэффек-

тивным.

Введение промежуточного подвода теплоты к

газу

во всех

рассмотренных случаях выгодно. В этом случае обеспечивается

уменьшение расхода топлива по сравнению с простой тепловой

схемой газового контура от 2 до 6 % . Меньший выигрыш в эконо-

мичности относится к паровому контуру с закритическими пара-

метрами пара (рис.

1.4,

б),

а больший — к паровому контуру с до-

критическими параметрами (рис. I 4, а). В отличие от обычных

ГТУ степень повышения давления

мало влияет на термическую

эффективность установки, особенно при простой тепловой схеме

(рис.

1.4,

кривые 3, 4, 5).

—7

-5

_——

оь

0,J

0,5

Рис I 4 Влияние на экономию топлива относи-

тельного расхода пара при различных схемах га-

зового контура ПГУ а — начальные параметры

пара 9 МПа и 800 К

(а)

и 24 МПа и 853/838 К (б)

6 — схема ГТУ с

промподогревом

газа при

—

8,2

15 и 26 соответственно, 3 —

5—

простая тепло-

вая схема ГТУ при

зт

4, 6,5 и 8,2 соответственно,

8 — схема ГТУ с

промперегревом

гаэч

промох-

лаждением

воздуха при

Я„

= 26 и

Я„

При относительно невысокой термической эффективности па-

рового контура для простой тепловой схемы газового контура ве- •

личина d весьма слабо сказывается на к. п д. ПГУ (кривые 4,

3 и 5). Это обстоятельство имеет важное значение для реконструк-

ции существующих станций, позволяя в широком диапазоне варьи-

ровать соотношение мощностей паровой и газовой частей в зависи-

мости от имеющегося в наличии оборудования.

При введении промежуточного нагрева газа максимальный

к. п. д. ПГУ соответствует малым значениям d. Применение про-

межуточного охлаждения воздуха здесь также оказывается наи-

худшим вариантом схемы газового контура, особенно при малых

значениях d (кривая 8 на рис.

1.4,

а).

Уровень экономии топлива от применения парогазовой уста-

новки определяется прежде всего параметрами рабочих тел. При

переходе от ПТУ к ПГУ выигрыш в экономичности по мере разви-

тия технического уровня паротурбинных блоков неуклонно

сни*

•44

•40

1—•

-• —

р„,мпа

ис

[

Изменение термической эффек-

тивности

установок различного типа

2 —

д ПГУ

при

промподогреве

газа и простои

тепловой

схеме ГТУ,

—

к п д

аш1

ного

зала (нетто) ПТУ,

— относительная экономия топлива в

ПГУ при промподогреве газа и простой теп-

ловсй

схеме ГТУ соответственно

жается (рис.

1.5).

Применение ПГУ с НПГ с газовым контуром,

выполненным по простой тепловой схеме при температуре газа

— 1050

ч-1100

К, и с паровым контуром, рассчитанным на

параметры пара 9,0 МПа и 573 К, могло обеспечить около 7 %

экономии топлива. В настоящее время ПГУ с аналогичным газо-

вым контуром и паровой турбиной сверхкритических параметров

пара может дать не более 2 % экономии топлива. Качественно

аналогичный результат дают _

Аг

установки и с ВПГ.

jj—

Полученный характер из-

менения экономичности па- '*

рогазовых установок объяс-

няется относительно неболь-

шим изменением к. п. д.

бинарной части комбиниро-

ванного цикла, обусловлен-

ным слабым повышением

температуры газа в ГТУ.

Так, за последние 20 лет

температура газа в эксплуа-

тируемых ГТУ выросла лишь

на

25—30

К. Поэтому особые

преимущества имеют тепло-

фикационные ПГУ, в кото-

рых, вследствие повышения конечной температуры пара, резко

возрастает относительная эффективность бинарной части ком-

бинированного цикла.

1.4.

РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПОДОГРЕВ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ

В ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВКАХ

Особенность рассматриваемых парогазовых установок — зна-

чительные расходы пара, для которых относительный расход пара

d обычно больше

0,50—0,55.

В этих условиях применение в уста-

новке паровой регенерации оказывается всегда экономически

целесообразным. Возможны различные варианты регенеративного

подогрева питательной воды: последовательный подогрев отборами

пара низкого или высокого давления и в газовом подогревателе,

подогрев питательной воды параллельно в газовом и регенера-

тивных подогревателях и смешанный подогрев питательной воды.

При подогреве питательной воды отборами пара низкого дав-

ления (рис.

1.6,

а) температура воды на входе в газовый подогре-

ватель повышается до

а1

и теплота в этом подогревателе подво-

дится на участке

—/.

Обычно температура газа на выходе из

газового подогревателя выбирается не по минимальному темпера-

турному напору

min

который имеет место в выходном

сечении подогревателя, а исходя из условия коррозионной стой-

кости поверхности нагрева. Уровень температуры

должен

/У

''/

i c/

Рис

1.6.

Схемы и

Ts-диаграммы

подогрева питательной воды

исключить выпадение влаги из отходящих газов на теплопередаю-

щей поверхности. В этих условиях регенеративный подогрев пи-

тательной воды, приводящий к повышению к. п. д. комбинирован-

ной установки, будет определяться температурой

а1

которая

найдется как

—

АГ

Если

а1

—

АТ

т]П

то будет на-

блюдаться рост

т. е. повышение потерь теплоты с отходящими

газами, что благоприятно сказывается на металлоемкости газового

подогревателя, но может привести к понижению к. п. д.

ПГУ.

Выбор температуры подогрева питательной воды, обеспечивающей

максимальное значение внутреннего к. п. д. парогазовой уста-

новки, определяется решением следующих уравнений, приведен-

ных в работе [5]:

7ГГ

7У[1

rRVb

ld)]\

(I.12)

С"'.' +

min

)

г.

(Д5

('„.

в +

*<„,„)

рг

(,,

,«•.")

(

где

A^mm

— минимальный температурный напор на холодном

конце газоводяного подогревателя;

— температура наружного

воздуха;

— уменьшение изменения энтропии при конденсации

пара за счет введения регенеративных отборов,

вод

(Г

Приведенные уравнения справедливы при идеальной регене-

рации, поэтому полученное с их помощью значение

ТЦ

»"

исполь-

зуется для предварительной оценки уровня подогрева питательной

воды. Для более точного определения

Т"

™

должно быть учтено

конечное число регенеративных подогревателей. Увеличение числа

регенеративных подогревателей несколько повышает эффектив-

ность установки, причем к. п. д. растет тем больше, чем выше зна-

чение d. Особенно сильно при этом растет температура подогрева

питательной воды [5].

При подогреве питательной воды отборами пара высокого

давления (рис.

1.6,

б) температура уходящих газов может быть

достаточно низкой. На участке

а—/

питательная вода подогрева-

ется в двух секциях газового подогревателя, а на

/—h

подогрев

питательной воды обеспечивается за счет отборов пара высокого

давления. Поскольку в точке а температура воды минимальная

и определяется в основном процессом конденсации, то температура

уходящих газов будет зависеть только от принятого температур-

ного напора на холодном конце подогревателя и составит

+ АГ

т1П

Применение отборов воды высокого давления и за этот счет

повышение температуры воды от

до Т,, оказывает влияние

на расход пара в ПГУ. Действительно, уравнение теплового балан-

са для процессов генерирования пара и подогрева питательной воды