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

Подождите немного. Документ загружается.

сгорания топлива в сжатом воздухе, отбираемом из доменной

воздуходувки На выходе из регенеративного теплообменника

доменный

газ имеет сравнительно низкую температуру (около

373 К), что позволяет подавать его в общезаводскую магистраль

без дополнительного охлаждения

При расчетных давлениях газа перед турбиной 0,24

МПа

и объемном расходе

150

/ч

полезная мощность ГУБТ со-

ставляла около 6 МВт Однако использование подобной схемы

ГУБТ при сравнительно малом перепаде теплоты, срабатываемом

в турбине, привело к весьма большой площади поверхности реге-

неративного теплообменника и соответственно к значительным

гидравлическим потерям в печи

Опыт эксплуатации ГУБТ-6 НЗЛ оказался, в обшем, положи-

тельным, подтвердив

перспективность

применения и дальнейшего

развития установок подобного назначения При этом, однако,

было сочтено целесообразным существенно снизить температуру

предварительного подогрева доменного газа, подаваемого в

турбину (до 393 К), отказавшись одновременно от примене-

ния регенеративного подогревателя отходящими из турби-

ны газами

С учетом указанных изменений УТМЗ была спроектирована

и изготовлена утилизационная турбинная установка типа ГУБТ-6,

в настоящее время серийно выпускаемая заводом в нескольких

типоразмерах в соответствии с параметрами вновь вводимых

доменных печей

В зависимости

избыточного давления доменного газа (в диа-

пазоне

0,16—0,25

МПа) на выходе из печи и ее полезного объема

расчетная полезная мощность, развиваемая ГУБТ, составляет

от 6 до 12

/VIBT

На рис VI 12 схематически представлен продольный разрез

утилизационной турбины ГУБТ УТМЗ Она выполнена двухсту-

пенчатой

с двумя насадными дисками Сопловой аппарат I ступени

турбины снабжен устройством для изменения угла установки

лопаток, что дает возможность регулировать массовый расход

доменного газа через проточную часть при изменении параметров

на

выходе

из

печи

в процессе эксплуатации турбоагрегата На

входе в сопловой аппарат I ступени установлен копфузор, а на

выходе из турбины — развитый

осерадиальный

диффузор с вы-

ходом газа в выхлопной патрубок, а затем в дымовую трубу Для

перевода турбины на режим холостого хода при внезапных сбросах

внешней нагрузки, на входе в турбину устанавливается дроссель-

ное устройство, выполненное в виде двухрядной кольцевой по-

воротной диафрагмы

оригинальной

конструкции

Внешний (силовой) корпус турбины имеет цилиндрическую

форму с фланцевым соединением по горизонтальному разъ-

ему Передача мощности от вала турбины к валу электро-

генератора осуществляется через тонкостенный промежуточ-

ный вал

202

VI.6.

УСТАНОВКИ С ГАЗОВЫМИ ТУРБИНАМИ

В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ

ГАЗОВОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Нефтеперерабатывающая и газовая (газоперерабатывающая)

отрасли промышленности являются одними из наиболее энерго-

емких отраслей народного хозяйства и характеризуются значи-

тельным расходом углеводородного сырья (нефти, нефтепродуктов,

природного

попутного газа) на производство товарной про-

дукции.

Для предприятий по переработке нефти и газа [55] характерна

широкая номенклатура потребляемой тепловой энергии водяного

пара и продуктов сгорания органического топлива, электрической

энергии для привода турбонасосов и компрессоров, потенциальной

энергии сжатого воздуха и т. д.

Частично потребность в различных видах энергии покрывается

на указанных предприятиях за счет внутренних источников те-

плоты, выделяющейся в химических реакциях, которые сопут-

ствуют основному технологическому процессу. Однако значитель-

ная доля потребляемой ими энергии поступает от внешних источ-

ников, которыми в большинстве случаев являются промышленные

или районные ТЭЦ (ГРЭС), использующие в качестве основного

топлива мазут или газ, поступающий с нефтеперерабатывающего

или газоперерабатывающего предприятия (комбината).

Подобная система неизбежно связана со значительными по-

терями энергии и ощутимым отрицательным воздействием на

окружающую среду. Она также требует больших расходов

оборот-

нон воды на охлаждение. Поэтому весьма актуальной является

разработка п внедрение таких технических решений, которые

обеспечивали бы возможность перевода нефтеперерабатывающих

и газоперерабатывающих предприятий полностью на автономное

снабжение всеми необходимыми видами энергии.

Одним из таких решений могло бы стать широкое внедрение

комбинированных энерготехнологических установок с газовыми

турбинами. При этом сами газотурбинные агрегаты служили бы

в качестве привода технологических компрессоров, обеспечивая

необходимый расход и давление рабочего тела, а также для при-

вода электрического генератора, вырабатывающего наряду с про-

тиводавленческнми

паровыми турбинами количество электро-

энергии, необходимое для покрытия собственных нужд пред-

приятия.

Выхлоп газовых турбин, как обладающий высоким запасом

избыточной тепловой энергии, мог бы быть использован для

генерирования технологического пара требуемых параметров

в котлах-утилизаторах как без подогрева, так и с дополнительным

подогревом за счет сжигания подаваемого в них топлива.

При подобной схеме энергоснабжения открывается реальная

возможность существенного уменьшения доли энергии, выраба-

204

тываемой конденсационными паровыми турбинами с отборами

пара, устанавливаемыми на самом нефтеперерабатывающем или

газоперерабатывающем предприятии и характеризующимися отно-

сительно низким к. п. д. и большими расходами охлаждающей

воды. Отмеченное обстоятельство приобретает особое значение

для безводных районов или районов с холодным климатом.

До настоящего времени, однако, применение газотурбинных

установок на отечественных предприятиях по переработке

нефти

газа ограничивалось отдельными случаями использования газо-

вых турбин в качестве привода воздуходувок или газовых ком-

прессоров.

В то же время в ряде развитых капиталистических стран

(в особенности США) ГТУ, в том числе в составе комбиниро-

ванных энергоустановок, получили широкое развитие *.

В качестве примера можно привести установки каталитиче-

ского крекинга в

псевдосжиженном

слое циркулирующего мик-

росферического катализатора, где газовые турбины применены:

а) для привода компрессора, подающего сжатый воздух в реге-

нератор, в котором выжигается кокс с поверхности катализатора;

б) для привода компрессора, который сжимает жирный газ,

поступающий из ректификационной колонны, и подает его в газо-

вый блок установки, состоящий из секций сероочистки и компри-

мнрования

газа, абсорбции и стабилизации бензина.

Выхлопные

газы

из обеих ГТУ подаются в котел-утилизатор,

предназначенный для генерирования технологического пара, по-

даваемого соответственно в реактор и отпарную колонну.

Другим примером комбинированной выработки тепловой и ме-

ханической энергии с использованием ГТУ могут служить техно-

логические установки по производству этилена. В отличие от ти-

повой схемы энергоснабжения, когда в качестве привода ком-

прессоров для сжатия топливного газа, пропилена и этилена

используются конденсационные паровые турбины с отборами

или

противодавленческие

турбины с генерированием части тре-

буемого расхода пара в энергетических парогенераторах, фирма

«Дау

Кэмикл»

(США) применила на некоторых современных

заводах в качестве привода компрессоров пропилена типовые двух-

вальные газотурбинные агрегаты фирмы «Дженерал электрик»

мощностью 25 МВт [20]. Выхлоп от газовой турбины исполь-

зуется в этой схеме энергоснабжения для генерирования техно-

логического пара с давлением 0,4 МПа в котле-утилизаторе с до-

полнительным сжиганием топлива в его топке.

В качестве одного из перспективных технических решений,

направленных на более эффективное использование вторичных

энергоресурсов, на предприятиях нефтеперерабатывающей про-

* Достаточно указать, что только фирмой «Дженерал электрик» к началу

1980 г. было изготовлено и пущено в эксплуатацию свыше 500 подобных ГТУ

единичной мощностью до

30—35

МВт.

205

мышлепности

может рассматриваться возможность использования

ГТУ в составе технологической установки для комплексной

переработки нефти с суммарной годовой производительностью

6—

9 млн т, принципиальная схема которой показана на рис VI 13 '

Как следует из этого

ри

I сунка, ГТУ служит для

прп-

вода компрессоров и подачи

сжатого воздуха и азота в

технологическую линию С

целью обеспечения оптималь-

ных условий работы указан-

ных компрессоров по частоте

вращения передача потребной

мощности от вала газовой

турбины может осуществлять-

ся через редукторы.

В качестве топлива для ка-

меры сгорания ГТУ исполь-

зуется газ, поступающий из

заводской магистрали и пред

ставляющий собой смесь водо-

рода, метана, этана и пропана

Высокотемпературные

вы-

хлопные

газы

из турбины

подаются в котел-утилиза-

тор 7, в котором генерируется

технологический пар следую-

щих сочетаний требуемых

начальных параметров

4,0 МПа, 673 К, 1,6 МПа,

573 К и 1,0 МПа, 523 К

В случае необходимости

для обеспечения требуемой

паропроизводительностн

кот-

ла-утилизатора предусмат-

ривается подача и сжигание

топлива в его топке. За кот-

лом-утилизатором по ходу

выхлопных газов может устанавливаться подогреватель сете-

вой воды для нужд предприятия Для эффективного исполь-

зования больших избыточных давлений газов и парогазовой смеси

продуктов нефтепереработки, образующихся в блоках

гидроочн-

сткн

2, 11

каталитического

рнформннга

12, в качестве сепарато-

ров могут устанавливаться расширительные газовые турбины 3 для

Рмс

13 Принципиальная схема ком

бшшровспшой

технологической системы

дня

комплексной

глубокон

переработки

нефти с использованием ГТУ

/ —

бмок

первичном

(крегопкл

црфти

2 —

блок

пдроочшлки

—

расшпрптечьиая

TVP

Они

(дртгшдс.р)

4 -

газофракцпонпряощая

усТ(Шопк

—

газотурбинная

установка 6 —

поздушиип

фильтр 7 — котел

утилизатор

•>

—

водоподогреп

>тель

—

течнологнче

iMic

комнрссеори

ые

устшовкм

// —

бток

щдроочны

чп

потученпем

дизельного

типлп

/.' — блок

1Тг1л|1Тического

(Ъорминп

/ —

шфть

// —

1,13

//' - факел И — го

родсиая

газов

>я

ctTb

V — нар VI — вода

1 // —

13)

Клименко В Л , Садчиков И А Экономические проблемы научно-тех-

нического

прогресса

в нефтехимической промышленности Л Химия, 1976

175 с

206

привода электрогенераторов

собственных

нужз.

или

насосно-

компрессорных установок, входящих в технологическую линию

В будущем вместо подачи мазута на ГРЭС,

обеспечивающей

поступление необходимого количества тепловой и электрической

энергии на теплоперерабатывающпй комплекс, может быть пред

усмотрена

его

дополнительная переработка в процессе каталити-

ческого крекинга с выходом газовых фракций, а также бутана

и кокса В этом случае нефтеперерабатывающий комплекс

молет

быть выполнен полностью автономным с точки зрения внешнего

энергопотребления

Таким образом, мазут,

подаваемый

па ГРЗС для обеспече-

ния энергетических нужд нефтеперерабатывающего комплекса,

можег

быть сохранен для

послецущен

его

деструктивной

пере-

работки

Комбинированные

энерготехнологическпс

установки с газо-

выми турбинами могут быть использованы с большим экономи-

ческим эффектом также на предприятиях по переработке природ-

ного газа Так, в зарубежной практике имеются многочисленные

примеры применения ГТУ на технологических установках, пред-

назначенных для удаления из природного газа в районах его ме-

сторождений этана и других тяжелых углеводородов методом

глубокого захолажнвання На этих заводах технологические ли-

нии включают ГТУ, используемые для привода холодильных

компрессоров и электрогенератора собственных нужд Избыточная

теплота выхлопных газов ГТУ используется либо для подогрева

технологического масла (до 560 К), либо в котле-утилизаторе,

генерирующем технологический водяной пар требуемых пара-

метров (до 30 % от его общей потребности на предприятии)

На зарубежных предприятиях по сжижению природного

1аза

газовые турбины нашли применение в

качестве

привода компрес-

соров криогенных установок В целя\ снижения себестоимости

товарной продукции в условиях повышающихся цен на

органи

ческое топливо в дальнейшей перспективе предусматривается

применение регенеративных теплообменников (нагревателей воды),

использующих избыточную теплоту выхлопа газовой турбины

Быстрое увеличение производства сжиженного природного

газа обусловило необходимость дальнейшего совершенствования

методов его

регазификацин

у потребителя Для указанной цели

фирмой

«Броун

Бовери»

разработан специальный газотурбинный

агрегат для работы в технологической схеме

регазнфикашш

сжи-

женного газа за счет использования избыточной теплоты выхлопа

газовой турбины с одновременным использованием низкой тем

пературы сжиженного природного газа для

охлаждения

рабочего

тела, циркулирующего в замкнутом контуре ГТУ перед сжатием

его в компрессоре. В качестве рабочего тела этого контура выбран

азот. Помимо выработки дополнительной полезной мощности

важным моментом является то, что работа подобной ГТУ не при-

водит к нарушению теплового равновесия окружающей среды

207

Глава

VII

КОМБИНИРОВАННЫЕ

ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

С ГАЗОВЫМИ ТУРБИНАМИ ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ

ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

VI).

1. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ

КОМБИНИРОВАННЫХ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

С ГАЗОВЫМИ ТУРБИНАМИ НА ТЭС

Широкое внедрение комбинированных (парогазовых и газо-

паровых) установок в энергетику является одним из наиболее

перспективных и общепризнанных направлений дальнейшего тех-

нического прогресса в этой отрасли, выражающегося в существен-

ном снижении удельных расходов топлива, затрат металла и труда,

повышении маневренности энергооборудования по сравнению

с эксплуатируемым энергооборудованием паротурбинных блоков

[25, 56]. Вместе с тем при работе по открытым схемам непосред-

ственного сжигания органического топлива большим, а зачастую

решающим препятствием для внедрения ПГУ в энергетику служит

то обстоятельство, что длительная и надежная работа их пока

возможна лишь с использованием кондиционного жидкого или

газообразного органического топлива (по крайней мере для газо-

турбинной части схемы).

Структура топливно-энергетического баланса в нашей стране

начала 60-х — середины 70-х гг. характеризовалась значительной

долей потребления жидкого и газообразного топлива для выра-

ботки электроэнергии и теплоты, что создавало объективные

предпосылки для расширения объемов внедрения ПГУ и ГТУ.

Основным видом органического топлива для электростанций яв-

ляется и будет оставаться твердое топливо (в основном бурый

каменный уголь).

В принятых на XXVI съезде КПСС «Основных направлениях

экономического и социального развития СССР на

1981—1985

годов

и на период до 1990 г.» намечено ускоренное развитие добычи угля

в таких крупнейших месторождениях, как Экибастузское и Кан-

ско-Ачинское, со строительством тепловых электростанций большой

мощности на базе использования углей указанных месторождений.

Наряду с этим, потребление нефти и нефтепродуктов в энерге-

тике должно быть резко сокращено, а природный и попутный

газы, добыча которых хотя и будет увеличиваться, в основном,

за счет эксплуатации богатейших месторождений Западной Си-

бири, планируется использовать в качестве сырья в химической

и металлургической промышленности, производстве синтетиче-

ских материалов и ряде других отраслей. Для нужд энергетики

природный газ будет ограниченно использоваться в основном

лишь как резервное топливо.

208

Переход на уголь в качестве основного вида топлива для

энергетики самым тесным образом связан с необходимостью реше-

ния ряда важных проблемных вопросов прежде всего потому, что,

с одной стороны, непосредственное сжигание угля в топках паро-

генераторов приводит к снижению надежности работы энерго-

оборудования паротурбинных блоков электростанций и к ухуд

шению ряда других его технико-экономических показателей,

а с другой стороны, создает предпосылки для усиления отрицатель

ного воздействия тепловых электростанций на окружающую

среду Поэтому генеральное направление развития

отечественной

теплоэнергетики, как это определено в решениях XXVI съезда

КПСС, состоит в том, чтобы « разработать и внедрить эффектив

ные методы комплексного использования и переработки твердых

и жидких топлив, а также получения синтетических топ-

лив

» *

Из этого прежде всего следует, что уголь и, особенно, нефть

должны рассматриваться в качестве исходного сырья для их

последующей комплексной переработки в целый ряд компонентов

(продуктов), причем лишь часть их предназначается для даль

нейшего использования в виде топлива При подобной постановке

задачи тепловая электростанция в ее нынешнем исполнении

должна быть преобразована в энерготехнологический комплекс,

для которого выработка электрической и тепловой энергии для

внешних потребителей будет являться лишь частью его товарной

продукции Другую же часть будут составлять различные хими-

ческие компоненты, получаемые в процессе переработки твердых

и жидких топлив и удовлетворяющие всем необходимым техни-

ческим требованиям со стороны их потребителей

Очевидно, принципиально по-иному должен рассматриваться

вопрос о так называемых отходах, появляющихся при эксплуата-

ции современных тепловых электростанций на твердых и жидких

топливах, поскольку комплексное использование и переработка

этих видов топлива создает объективные предпосылки для орга

низации безотходных энерготехнологических процессов, на необ-

ходимость скорейшего перехода к которым указывается в реше

ниях XXVI съезда КПСС

При комплексной энерготехнологической переработке по-

является реальная возможность получения «чистых» топливных

компонентов, которые могут быть без каких-либо серьезных

осложнений использованы для сжигания их не только в топках

парогенераторов, но и в камерах сгорания газовых турбин, что

создает необходимые предпосылки для самого широкого внедре

ния комбинированных установок с газовыми турбинами в «боль-

шую» энергетику Поэтому становится вполне оправданным тот

* Основные

направления

экономического и социального развития СССР на

1981—1985 гг и на период до 1990 г Материалы XXVI съезда КПСС М Полит-

издат, 1981

209

большой интерес, который проявляется к разработке и реализации

прогрессивных технических

предложений

по применению ком-

бинированных установок с газовыми турбинами, включенных

в различные схемы

энерготехнологнческих

комплексов, рассчи-

танных па использование, прежде всего, бурого и каменного

угля и отчасти высокосернистых мазутов.

Энерготехнологический комплекс тепловой электростанции

представляет собой совокупность органически связанных между

собой энергетических и технологических

(энергохимнческнх)

агре-

гатов и устройств, включающих наряду с собственно энергети-

ческой частью блоки переработки топлива, разделения и очистки

полученных компонентов (в том числе топливных) и др. Из ска-

занного следует, что сам подход к проектированию

энергообору-

довапия,

входящего в состав указанных комплексов, будет иным

по сравнению с традиционными методами, разработанными для

условий автономной его работы, и должен поэтому основываться

обязательно па детальном исследовании и учете характеристик

требований

к технологической части комплекса. При этом,

вероятно, необходимо осуществить и объективную количествен-

ную оценку степени отрицательного воздействия всего оборудова-

ния на окружающую среду.

VII.2.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

ГТ

ТЭС

Известные методы определения эффективности бинарных энер-

гетических

установок

различных типов по значениям таких пока-

зателен,

как внутренний к. п. д. (удельный расход топлива или

теплоты на единицу выработанной энергии), полезная (удельная)

мощность и т. п., изложенные, например, в работах [5, 25]

а также в гл.

I—V

настоящей книги, являются недостаточными

для оценки эффективности энергоустановок (ЭУ) ТЭС. Указанные

методы основаны на использовании уравнений энергетического

и материального балансов рабочих тел, участвующих только

в процессе выработки электроэнергии и теплоты и не учитывают

термохимических процессов, сопутствующих выработке из исход-

ного сырья — органического топлива — соответствующих хими-

ческих продуктов и материалов.

Более представительными в рассматриваемом случае следует

считать методы, основанные на определении эксергии теплоты

и самих рабочих тел, участвующих в указанных процессах

13,

15, 68]. Так, в результате составления уравнений эксергетических

балансов для отдельных процессов (элементов) комбинированных

энерготехнологических установок может быть определен показа-

тель, представляющий собой отношение полезно использованной

эксергии (полученной работы) к сумме эксергии всех рабочих тел,

участвующих в процессе, который называется

эксергетическим

к. п д. —

11!с

[3].

210

Для всей комбинированной

энерготехнологнческой

установки

ТЭС этот показатель будет выражаться формулой

П.КО

(N,

£Ч.

ПИ^Г

£,

„

„),

(VII.

где

— электрическая мощность, вырабатываемая комбиниро-

ванной установкой;

F.Q

— эксергия теплоты, отпущенной потре-

бителям;

£\.

— эксергия полученных химических продуктов

(материалов),

— полезная эксергня топлива;

Е,

— эксергия

топлива, эквивалентная затраченной электроэнергии;

£,.

—

эксергия затраченных исходных материалов;

„

— эксергня

топлива, соответствующая теплоте, подведенной от внешнего

источника.

В свою очередь эксергия топлива и органических продуктов

в его термохимической переработке может быть подсчитана по

уравнению

Е,

гаа

IIil4

Kon

(VII.2)

Здесь

max

— максимальная теплота реакции сгорания;

IU4

ZI^KOH

— сумма

энтропии

исходных (начальных) и конечных

продуктов при температуре холодного источника

Т„

соответ-

ственно.

Различают низшее

Е\

„ и высшее

Е[

„

значения

эксергии

топлива, учитывающие взаимодействие образующихся продуктов

с окружающей средой.

Так, например, для бурых углей

где

— массовые доли золы, влаги и кислорода в то-

пливе соответственно;

— низшая теплота сгорания.

Е{.

(Qp

)[

1,0437

0,1896

-^-4

0,0617-^

0,0428-^]

(e,

-i

)S.

(VII 4)

Здесь г — теплота испарения воды; Я, С, О, S,

— массовые

доли водорода, углерода, кислорода, серы, азота и влаги в то-

пливе;

— высшая эксергия и теплота сгорания серы.

По значению

эксергетического

к. п. д.

ч\

)КС

определяемого

по формуле

(VII.

1) для сравниваемых различных схем ЭУ или

вариантов таких схем, можно провести дополнительную количе-

ственную оценку степени влияния потерь эксергии в каком-либо

из элементов установки, включая технологические, на суммар-

ную эффективность установки.

Указанный метод использован в ряде

отечественны

и зарубеж-

ных работ [3, 68], в том числе для оптимизации значений пара-

метров рабочих тел в отдельных элементах сложных схем энерго-

211