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

Подождите немного. Документ загружается.

в газовом подогревателе позволяет получить следующее уравнение

для определения относительного расхода пара:

d =

рт

(Т

)/[(id

Ш-

(1-14)

Уравнение

(1.14)

показывает, что чем больше подогрев пита-

тельной воды за счет отборов пара, определяемый величиной

(hi—h)>

тем

больше пара при неизменных параметрах рабочих

тел и принятой

температуре

уходящих газов генерируется в уста-

новке.

При последовательном расположении газовых и регенератив-

ных водоподогревателей целесообразно расположить регенератив-

ные подогреватели между низкотемпературной и высокотемпера-

турной секциями газовых подогревателей (рис.

1.6,

в). В этом

случае подогрев питательной воды до температуры

(точка /

на Ts-диаграмме) осуществляется в низкотемпературном газовом

подогревателе, до температуры

(точка

К)

— в регенеративных

подогревателях за счет отборов пара высокого давления, а до

температуры

(точка g) — в высокотемпературном газовом по-

догревателе.

Минимальный температурный напор

Д7\шп

имеет место на

входе в обе секции газовых водоподогревателей: В оптимальных

условиях.

подогрев воды за счет отборов пара должен быть

такой, чтобы обеспечить равенство этих температурных на-

поров.

Температура воды на выходе из регенеративных подогревате-

лей

определяется принятым минимальным температурным

напором

ДТщщ

и составляет

—

min

где

— тем-

пература газа на входе в высокотемпературный газовый подо-

греватель. Температура воды на входе в регенеративные подогре-

ватели

может быть найдена из уравнения теплового баланса

(T,-T

)=d(i

-i

(I.15)

Для нахождения температуры газа на входе в высокотемпера-

турный газовый подогреватель

следует составить уравнение

теплового баланса парогенератора, которое позволяет получить,

что

Уравнения

(1.14)—(1.16),

а также принятые величины

rain

позволяют найти расход пара и подогрев питательной воды

за счет отборов пара высокого давления.

Для определения наивыгоднейшей температуры подогрева пи-

тательной воды за счет отборов пара высокого давления, обеспе-

чивающей максимальный к. п. д. установки, в работе [5] предлага-

ются следующие уравнения, полученные для случая идеальной

регенерации:

(U7)

к + qjx + (ld

ih + if

ia) d

)

где

/г

— удельная работа газового контура, эквивалентная

площади

/—2

—3—4

(рис.

1.6,

б);

ух

—теплота

уходящих

от установки газов, равная

рг

(Т

—

Решение уравнений

(1.17)

(1.18)

проводят методом последо-

вательных приближений.

Схема с параллельным подогревом питательной воды в газовом

и регенеративных подогревателях (рис.

1.6,

г) характеризуется

наилучшими термодинамическими свойствами, так как позволяет

иметь минимальный температурный напор по всей поверхности

газового подогревателя. В этом случае обеспечивается минималь-

ная температура уходящих газов

min

а процесс

подогрева питательной воды в газовом подогревателе

а—/

должен

быть эквидистантен процессу охлаждения газа

х—5.

Для осу-

ществления эквидистантности этих процессов относительный рас-

ход питательной воды через газовый подогреватель 6! должен

быть равен величине

гт

/с

вол

т. е. d'

«=*

Гт

Остальная масса

питательной воды d" будет нагреваться в регенеративных подо-

гревателях за счет отборов пара; d" = d —

;;Г

При параллельном подогреве питательной воды к. п. д. паро-

газовой установки для идеальной регенерации можно определить

с помощью уравнения [5]

1 '

где

— температура питательной воды на входе в парогенератор

(Tf =

);

— отвод теплоты в конденсаторе в нерегенератив-

ной части цикла.

Схема с параллельным подогревом питательной воды обеспе-

чивает максимальную термическую эффективность парогазовой

установки. Однако практическая реализация оптимального вари-

анта этой схемы затруднена опасностью коррозии поверхностей

нагрева газового водоподогревателя, его повышенной металло-

емкостью и другими факторами. На практике обычно находят при-

менение смешанные схемы подогрева питательной воды, обеспе-

чивающие высокую надежность работы установки, а также вы-

сокую термическую эффективность. Применение такой схемы поз-

воляет поднять температуру питательной воды на входе в газовый

подогреватель, в котором может быть обеспечен минимальный

температурный напор по всей поверхности теплообмена.

1.5.

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

Показатели парогазовых установок зависят от вида парогене-

ратора. Как уже отмечалось, возможны два варианта установок:

парогазовые установки с высоконапорным парогенератором (ПГУ

с ВПГ) и с низконапорным парогенератором (ПГУ с НПГ). Ниже

рассмотрим показатели ПГУ с учетом этих особенностей.

Полезная мощность ПГУ определяется работой как парового,

так и газового контуров и составляет

#„.

При использовании воздушного охлаждения элементов газовой

турбины с выбросом охлаждающего воздуха в проточную часть

удельную работу газового контура ПГУ с НПГ можно определить

по уравнению

Ч1-£ох

(1/а"

)(l-g

OKa

)]c

[l-(v»n

"]r\

—

goxM

+(1/а"

с£о)(1

—

£охл)]

Н^охл

—

(jC

—

1)/T]

3oxJl

—

ОХ

)Т]

0XJ1)

(I.20)

где

ёохл

— относительный расход охлаждающего воздуха;

охл

хл/0

;

«кс

—

коэффициент избытка воздуха за камерой

сгорания ПГУ с НПГ;

— теоретическая масса воздуха, необ-

ходимая для сжигания 1 кг топлива;

— коэффициент гидравли-

ческих потерь в газовоздушном тракте установки с НПГ;

—

коэффициент потерь работы газа за счет отвода от газа теплоты

^охл

охлаждении элементов газовой турбины, а

0Ж

опреде-

ляет потерю удельной работы газовой турбины из-за охлаждения;

охл

— температура охлаждающего воздуха при его

вводе в проточную часть турбины и средняя степень понижения

давления этого воздуха в турбине; т = (k —

\)lk

— величина,

зависящая от показателя адиабаты k. Индекс «н» при всех пара-

метрах определяет влияние НПГ.

Вошедшее в уравнение

(1.20)

а"

зависит, прежде всего, от

начальной температуры газа

и определяется уравнением тепло-

вого баланса камеры сгорания. Решение этого уравнения позво-

ляет получить,

что

Ак

1-1.^

где

— удельная теплота сгорания топлива;

т)

— к. п.

д-

камеры сгорания; т — температурный коэффициент, т =

TJTy

В современных условиях, когда в ГТУ осваиваются высокие

начальные температуры газа

на показатели ПГУ существенное

влияние оказывают параметры системы охлаждения, в частности

расход охлаждающего

воздуха

oxn

При используемых в настоя-

щее время технических средствах охлаждения проточной части

турбин можно рекомендовать определенные значения параметров

системы охлаждения. Графическая зависимость этих параметров

от температуры

при температуре стенки

ст

= 1000 К, полу-

ченная в результате прора-

ботки газовой турбины *,

представлена на рис.

1.7.

повышением температуры га-

за теплота охлаждения

с/

охл

расход охлаждающего воз-

Г/ВО

НЮ

ШО 1500

Ij,K

Рис.

1.7.

Влияние начальной температуры

газа

на основные показатели системы

охлаждения при

ст

= 1000 К:

Рис. I 8. Показатели парогазовой

установки при различной темпера-

туре

газа

духа

существенно возрастают. Изменение

определяется не-

которой областью, ширина которой в зависимости от

связана

с назначением и особенностями конструкции ГТУ.

В ПГУ с ВПГ удельная работа газового контура будет.

= [1 -

§охл

~^Ц

g-охл)]

рг

[1 -

(vV

Щохл

—

"ох'л

)

Чт

тёохл.

(1.22)

Здесь индекс «в» у ряда параметров определяет влияние

высоко-

напорного парогенератора.

* Конструктивные проработки газовой

турбины

выполнены на кафедре тур-

биностроения

ЛПИ им. М. И. Калинина.

Различие в работах

/г"

/i?

, невелико и определяется,

прежде всего, разным расходом газа перед турбинами в этих уста-

новках из-за различных значений а"

«впг

(рис.

1.8).

С по-

вышением температуры газа

это различие уменьшается. Так,

если при

= 1100 К

АЛ

(/г"

—К

)//г?

составляло 25—

30 %, то уже при температуре газа

= 1500 К

A/i

не превышало

10—12

%. Эти показатели получены при работе ПГУ на природ-

ном газе, однако применение другого топлива существенно не из-

менит полученных количественных соотношений.

Мощность парового контура при принятых параметрах пара

и структуре тепловой схемы зависит от расхода пара

определя-

емого затратами теплоты сгорания топлива на

его

генерацию.

В ПГУ с НПГ количество теплоты, подведенной к пароводяному

рабочему телу в парогенераторе, определяется расходом топлива,

которое зависит от коэффициента избытка воздуха за НПГ

ос

ух

Расход топлива можно найти с помощью уравнения

где

втоп

— масса топлива, подведенная в камеру сгорания.

Так как

'топ

ТО

•оНПГ

топ

—

«к.

Из уравнения видно, что охлаждение в газовой турбине позволяет

существенно повысить расход топлива в низконапорном пароге-

нераторе. Уже при температуре газа

1300 К отбор воздуха

на охлаждение позволяет на

4,5—5,0%

повысить

Заметно

возрастает из-за дополнительного расхода топлива и масса гене-

рируемого в НПГ пара.

Общее количество теплоты, которое в установке с НПГ подво-

дится к пароводяному рабочему телу, составит

реп

и /^НПГ

/-I

общ —

топ

УрЛнПГ

Vr.

где

т|

нпг

— к. п. д. низконапорного парогенератора, учитыва-

ющий механический и химический недожог топлива;

„

— коли-

чество теплоты газового контура, переданное пароводяному ра-

бочему телу за счет утилизации;

per

— количество теплоты, ко-

торое подводится к питательной воде за счет регенеративных

отборов пара.

Общее количество теплоты можно представить как:

C^3

[

Г'"Ч.

]

} +

Qper

(1-24)

где

— температурный коэффициент,

/Т

Количество теплоты

С^ёщ

слабо зависит от температуры газа

так как падение

G™"

при повышении

компенсируется ро-

стом теплоты

, переданной воде в газовом подогревателе.

Удельная работа парового контура может быть найдена по

уравнению

К.

ФА.

JGl,

(I.25)

где

г\

— внутренний к. п. д. парового контура, определяемый

параметрами пара и тепловой схемой этого контура. Следует от-

метить, что

несколько ниже к. п. д. паротурбинной установки

на те же параметры пара, поскольку в комбинированном цикле

из-за наличия в схеме газового водоподогревателя отборы пара

на регенерацию уменьшены.

В ПГУ с ВПГ количество теплоты, подводимое к пароводяно-

му рабочему телу в высоконапорном парогенераторе, можно

определить как разность общей теплоты сгорания топлива, выде-

лившейся в ВПГ, и теплоты сгорания топлива, подведенной к газу

в этой установке, т. е.

0то"

—

Стоп-

Если принять,

что повышение затрат топлива на нагрев газа в ПГУ с ВПГ по

сравнению с НПГ определяется прежде всего ростом расхода газа,

то можно написать, что

1 goxJl)

a«

•

Тогда затраты топлива на генерацию пара в высоконапорном паро-

генераторе будут определяться уравнением

Здесь

ВП

— коэффициент избытка воздуха за ВПГ.

При анализе схем ПГУ обычно принимают равные значения

на выходе из ВПГ и НПГ. В этом случае для схемы с ВПГ к пару

подводится заметно меньше теплоты сгорания топлива (рис.

1.8),

так как коэффициент избытка воздуха в отходящих газах для

ПГУ с ВПГ оказывается выше из-за охлаждения газовой турбины.

Охлаждающий воздух в схеме с НПГ используется для генерации

пара.

Общее количество теплоты, подводимое к пароводяному рабо-

чему телу в схеме с ВПГ, будет

I ОТ

•*

\~~

D6T

* \

•

' /

где

"Пвпг

—

Д-

высоконапорного парогенератора, учитываю-

щий недожог топлива.

Удельная работа парового контура найдется по уравнению

К>.

^общ^п.

Jd.

(I-28)

где

^"бщ

— общее удельное количество теплоты, подведенное

к пару в ПГУ с ВПГ,

д£бщ

Qo6^/G

Поскольку

<7общ

оказывается меньше, чем

дъбщ,

прежде всего

из-за использования воздуха, отбираемого на охлаждение для

сжигания топлива в НПГ, то удельная работа парового контура

в схеме с НПГ превышает этот параметр для схемы с ВПГ. Это

превышение тем больше, чем существеннее отборы воздуха на

охлаждение, т. е. чем выше температура газа

(рис.

1.8).

По-

скольку с ростом температуры

различие в работе газовых кон-

туров обеих схем уменьшается, то существует температура газа

выше которой общая работа ПГУ с НПГ оказывается больше ра-

боты ПГУ с ВПГ. Для параметров современных паротурбинных

и газотурбинных установок

*=»

1300 К.

Коэффициент полезного действия ПГУ зависит от

показатепей

как парового, так и газового контуров и находится по уравнению

•ЧПГУ

(

/г

г.

К.

J)lq

rv'

)

где

lir

— общий расход удельной теплоты сгорания топлива на

оба контура — паровой и газовый.

Для ПГУ с НПГ общее количество теплоты топлива

<7ПГУ

составит

ЧПГУ

<?Р

(Лк.

CG;

^нпгОх™

(1.30)

а с

учетом

(1.23)

для

<7ПГУ

получим

^Р

1к

п х

''ЧнПгДк

с (

—

goxn

<?ПГУ

—J

Г—

—

goxn)

—

«к.

Чх.

ух \

Общее количество теплоты топлива для ПГУ с ВПГ будет

<7ПГУ

QpiiBnr

ё-охл)/(сс

пг^о)

(1-32)

В схеме с НПГ общий расход топлива несколько больше, чем

в ВПГ при равенстве

пг

ух.

что

определяется использова-

нием для окисления топлива охлаждающего воздуха

охл

Это

различие тем больше, чем выше

и, следовательно, больше

Общая работа ПГУ в уравнении

(1.29)

определяется по урав-

нениям

(1.20)

(1.25)

для ПГУ с НПГ и по уравнениям

(1.22)

и (1.28) для ПГУ с ВПГ.

1.6.

РАБОТА ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

НА ЧАСТИЧНЫХ РЕЖИМАХ

В зависимости от условий эксплуатации парогазовые установки

могут работать в широком диапазоне нагрузок, участвуя в ре-

гулировании мощности энергосистемы. Возможная длительная

работа ПГУ на частичных нагрузках ставит задачу выбора целе-

сообразной программы управления, обеспечивающей максималь-

ные экономические показатели при работе на пониженных нагруз-

ках. Решение этой задачи применительно к комбинированным па-

рогазовым установкам усложняется наличием двух подводов топ-

лива (в камеру сгорания и в топку котла), что расширяет возмож-

ности организации режимов пониженных нагрузок установки.

Здесь приводится анализ частичных нагрузок, выполненный

для ПГУ со сбросом газов, поскольку организация управления

таких установок в ряде случаев оказывается более сложной.

Тепловая схема установки предполагает использование одноваль-

ной ГТУ, а газовый подогрев воды включен параллельно регене-

ративным подогревателям [47].

В паровом контуре использованы высокие параметры пара,

поэтому предусмотрен промежуточный перегрев пара. Распределе-

ние питательной воды на газовый и регенеративный подогрев на

номинальном режиме выполнено таким образом, чтобы в месте

соединения этих потоков имело место равенство температур во-

ды, что исключает дополнительные необратимые потери. Равен-

ство температур желательно поддерживать и на частичных на-

грузках, что позволяет получить максимальную экономичность.

Однако обеспечение этого требует применения специальной си-

стемы регулирования, воздействующей на распределение пита-

тельной воды. Такая система усложняет эксплуатацию установки,

поэтому здесь использована более простая схема организации

частных режимов, при которой расход воды через газовый водо-

подогреватель принят постоянным, и регенеративный подогрев

питательной воды по мере уменьшения нагрузки сокращается.

Принятая схема распределения питательной воды на частичных

нагрузках не обеспечивает максимальной экономичности, но

позволяет получить основные качественные зависимости.

Простая схема газового контура, принятая для парогазовой

установки, обеспечивает расход воздуха, подаваемый компрессо-

ром, и он практически не изменяется во всем рассматриваемом

диапазоне изменения мощности установки. Поэтому на частичных

нагрузках для обеспечения соотношения между расходами воз-

духа и топлива, необходимого для организации процесса горения,

приходится газы после газовой турбины разделять на два потока.

Один поток газа, необходимый для сгорания топлива, следует

направить в топку котла к топочно-горелочному устройству

Другим потоком — байпасировать котел и сбрасывать его перед

газовым водоподогревателем

Наличие в схеме установки двух топливных органов, обеспе-

чивающих подачу топлива в камеру сгорания и топку котла, поз-

воляет выбирать закономерность изменения мощности как газо-

вого, так и парового контуров В этом случае частичные нагрузки

парогазовой установки могут быть организованы следующим об-

разом

1) снижение мощности установки производится только за

счет сокращения расхода топлива в парогенератор, а расход топ-

лива в камеру сгорания остается неизменным,

2) снижение мощности осуществляется только за счет умень-

шения расхода топлива в камеру сгорания, а режим работы паро-

вой турбины остается неизменным,

3) снижение мощности достигается за счет уменьшения рас-

хода топлива, поступающего как в камеру сгорания, так и в топку

парогенератора

В зависимости от выбранной программы управления установкой

будут

менятвся,

прежде всего,

кпд

газового и парового конту-

ров Поэтому рассмотрим влияние этих к п д на экономичность

парогазовой установки со сбросом газа в котельный агрегат

Коэффициент полезного действия такой установки

ЛИГУ

{К

d)l{q

(I.33)

где

— количество теплоты топлива, вводимое в камеру

сгорания и топку парогенератора соответственно

Если работу парового контура представить в виде

(<7г

<?п

к -

)

Т]

где

т]

— к п д парового контура, то к п д парогазовой

установки будет

Т+-р

-f+p

(

I34

)

Здесь

— коэффициент распределения

топлива

(

по контурам

установки,

В зависимости от способа организации режима частичных

нагрузок будет изменяться

кпд

газового контура

г|

или

парового

г\

и за этот счет

кпд

установки в соответствии

с уравнением (I 34) Темп изменения

г\

пгУ

при том или ином

способе управления будет определяться абсолютными значениями

•Пгк

Лпк

ля

определения основных закономерностей из-

менения экономичности установки были проведены расчеты эконо-

мических показателей ПГУ на режимах частичных нагрузок

В качестве газового контура была принята ГТУ простой тепловой

схемы с начальной температурой газа 1023 К, а паровой контур

0,36

1,92

у}

/ /-*

'' /

//'

'-"

""" /

\;l

a,,

'•* /

О,

' /

/ \

образован ПТУ на базе

блоьа

К-200-130

В качестве топлива ис-

пользован природный газ [47].

Результаты расчета частичных нагрузок в принятой для ис-

следований ПГУ представлены на рис.

1.9

в виде изменения к. п. д.

установки в зависимости от

нагрузки.-При

уменьшении мощности

за счет газового контура (кривая

к. п. д. ПГУ падает довольно

резко и уже при нагрузке

А^

= 0,75 составляет лишь 0,9 от

номинального значения. При

этой нагрузке ПГУ (точка А)

газовый контур достигает

холостого хода, поэтому

дальнейшая разгрузка этим

методом регулирования ис-

ключена, и для получения

более низких мощностей не-

обходимо переходить на раз-

грузку парового контура

(кривая

Падение к. п. д.

при этом остается значитель-

ным и при нагрузке 50 %

от номинальной

г)

ПГУ

—

0,84г)

пгу

. Несколько более

высокая экономичность ПГУ

на малых нагрузках имеет

место при отключении в точ-

ке А газового контура. Тогда

изменение к. п. д. ПГУ будет

определяться линией с.

Заметно более высокой

экономичности ПГУ на ре-

жимах частичных нагрузок

можно достигнуть при программе управления за счет парового

контура (линия

aj.

При нагрузке 75 % от номинальной к. п. д.

установки составляет 0,95 от

т1

ПГУо

и даже при нагрузке 50 %

падает лишь на Б % (относительных). Этот метод управления

парогазовой установкой является более предпочтительным. В

пределах рассмотренных режимов работы ПГУ (линии

bj)

могут быть организованы различные комбинированные программы

управления ПГУ, которые определяются линиями

линиями

, b

В ПГУ возможно обеспечение режима перегрузки относительно

номинального режима, если проточная часть паровой турбины

позволяет пропустить дополнительный расход пара. Для органи-

зации такого режима предусматривается специальный дутьевой

вентилятор, позволяющий сжечь дополнительное топливо в котле

и за этот счет получить повышенную паропроизводительность

парогенератора. На рис.

1.9

режиму перегрузки соответствует

линия d. К. п. д. ПГУ резко падает.

0,5 0,7 0,9

зп

Рис.

1.9.

Влияние нагрузки на к п д

установки

—

— постоянный расход топлива в

камере сгорания,

—

постоянный

расход топлива в парогенераторе, с — ав-

тономная работа паровой части ПГУ, d —

режим перегрузки ПГУ с дополнительным

дутьевым вентилятором