Теплофикационные парогазовые установки с котлом-утилизатором.
Современная энергетика в значительной мере развивается на основе парогазовых установок с котлами-утилизаторами, имеющих раздельные газовой и паровой контуры (ПГУ-КУ). Именно такие установки позволяют в промышленных условиях получить наивысшие значения КПД при производстве электроэнергии.
Наиболее весомой причиной перспективности ПГУ является использование природного газа в качестве топлива, запасы которого достаточно велики, при этом эффективность использования топлива (КПД цикла) достигает уровня 55-60% (для сравнения, КПД традиционных паросиловых установок находится в пределах 25-30%). Диапазон мощностей сооружаемых ПГУ-КУ весьма широк: от нескольких МВт до 700 МВт.
Теоретической основой парогазовой установки с котлом-утилизатором является термодинамический цикл Брайтона-Ренкина изображенный на рисунке 1.
В верхней ступени комбинированной установки (цикл Брайтона) происходит сжатие в компрессоре забираемого из атмосферы воздуха (процесс 1—2) и подвод теплоты q1 при постоянном давлении в камере сгорания ГТУ (процесс 2— 3). Образовавшиеся горячие газы с высоким давлением и температурой поступают в газовую турбину (процесс 3—4), где расширяются, совершая работу, передаваемую на вал ГТУ. Большая часть этой работы используется в компрессоре для сжатия воздуха, а остальная ее часть (30—40%) преобразуется в электрогенераторе в электроэнергию, направляемую потребителям. Газы после газовой турбины поступают в КУ. Процесс 4—1 условно замыкает цикл Брайтона. Охлаждение газов в котле-утилизаторе (процесс 4—5) связано с передачей большей части их теплоты пароводяному рабочему телу в цикле Ренкина. При этом происходят: нагрев воды в экономайзере КУ (процесс b—с), испарение воды в испарителе (процесс с—d), перегрев пара в пароперегревателе (процесс d—е). Расширение пара в турбине и его конденсация в конденсаторе представлены процессами e—f и f—a с последующим повышением давления конденсата в конденсатном насосе (процесс а—b). Основные элементы простейшей тепловой схемы ПГУ с КУ приведены на рисунке 2.
|
|
|
В настоящее время считается, что подобные относительно простые ПГУ целесообразно применять в качестве пиковых установок или когда имеется дешевое топливо.
Однако КУ практически никогда не работает в номинальном режиме из-за чувствительности параметров ГТУ к изменениям атмосферных условий. Поэтому в котлах-утилизаторах предъявляются значительно более высокие требования к точности расчета теплопередачи, и применяются все технически доступные средства для интенсификации теплообмена (оребрение поверхностей, вставкизавихрители, турбулизаторы и искусственная шероховатость).
|
|
|
Котлы-утилизаторы для энергетических ПГУ различаются по компоновке, тепловым схемам и параметрам.
В настоящее время сложилось два типа компоновки КУ: вертикальная с нижним подводом газов и горизонтальная. В КУ применяют различные способы организации циркуляции: естественный и принудительный, имеются так же прямоточные схемы. По назначению КУ подразделяют на паровые, водогрейные и смешанные. Следует иметь в виду, что водогрейные КУ иногда называют газо-водяными теплообменниками и обозначают ГВТО.
Конструкция вертикальных котловутилизаторов имеет свои особенности. Их поверхности нагрева выполняют в виде отдельных модулей, укрепляемых один над другим с помощью каркаса, в котором предусмотрены боковые боксы для размещения коллекторов и колен труб, не омываемых дымовыми газами. Основная часть модуля в зависимости от его длины имеет несколько несущих перегородок.
В ПГУ КУ поверхности теплообмена изготавливаются из труб с наружным спиральным оребрением, что позволяет уменьшить эту поверхность и ее металлоемкость.
Котлы-утилизаторы, схема которых позволяет получать пар одного давления, называют одноконтурными (т.е в котле-утилизаторе располагается один парогенерирующий контур). Увеличение экономичности ПГУ требует более глубокого охлаждения газов. Для этого приходится переходить к схемам с двумя и даже тремя уровнями давления. Отвечающие таким схемам котлы-утилизаторы, соответственно, называются двух- или трехконтурными. С точки зрения экономичности: три ступени в КУ лучше, чем две; промежуточный перегрев способствует повышению экономичности.
|
|
|
Таким образом, при современных параметрах пара ПГУ с котлом-утилизатором обладает следующими преимуществами:
вследствие высокой термической эффективности на номинальном режиме уже при температуре газа 870–920°С к.п.д. ПГУ находится на уровне современных ПТУ, работающих при сверхкритических параметрах пара. По мере роста температуры газов после газовой турбины к.п.д. ПГУ с КУ будет повышаться вплоть до 58–60%;
некоторая нейтрализация снижения эффективности ПГУ при уменьшении нагрузки может быть достигнута за счет дожигания топлива перед КУ. Особенно благоприятным изменением к.п.д. обладают установки, использующие в газовом контуре несколько ГТУ, работающих на одну паровую турбину. Уменьшение мощности в этом случае достигается последовательным отключением ГТУ;
|
|
|
высокая маневренность установки обеспечивается большой долей мощности газового контура (60–70%), а также температурными параметрами пара и упрощенной тепловой схемой парового контура. Пуск установки на полную нагрузку обычно не превышает 60 мин;
низкая удельная стоимость и высокая надежность работы; капитальные вложения в создание ПГУ на 20–25 % ниже, чем при создании маневренных ГТУ;
широкая автоматизация управления установкой, которая включает пуск, нагружение и остановку;
блочная поставка оборудования ПГУ в виде блоков ГТУ, паровой турбины, котла-утилизатора, конденсатора.
Режимы работы ПГУ-ТЭЦ.
Энергетические ГТУ (да и не только энергетические) отличаются от паросиловых установок тем, что очень редко работают в расчетном режиме. Причина в том, что паротурбинный цикл замкнут не только термодинамически, но замкнут и по контуру движения рабочего тела. Поэтому паросиловая установка работает как бы изолированно от окружающей среды. Контакт с этой средой имеет место только в конденсаторе, где влияние среды стараются по возможности минимизировать. Иначе обстоит дело в ГТУ, где термодинамически замкнутый цикл Брайтона при практической реализации оказывается по контуру рабочего тела фактически разомкнутым. Фигурально выражаясь, контур рабочего тела замыкается через атмосферу, откуда воздух забирается и куда потом в смеси с продуктами сгорания возвращается. Исключение составляют ГТУ, работающие по замкнутой схеме, но их пока не строят. Согласно международному стандарту ISO, по которому осуществляются расчеты при проектировании ГТУ, принимаются следующие значения параметров «наружного воздуха» [5]: температура ТН.В. = +15 ºС; давление PН.В. = 0,1013 МПа; влажность ..φн.в. = 60 %. Естественно, одновременное совпадение трех указанных значений в реальных условиях ситуация крайне редкая. Вот почему ГТУ почти всегда работает в условиях, отличных от расчетных. С учетом приведенных выше замечаний ГТУ эксплуатируется в 166 широком диапазоне мощностей, иначе — режимов.
Различают:
- номинальный режим, который часто (на наш взгляд неудачно) называют расчетным — это обычно режим, при котором установка имеет наивысший КПД;
- режимы частичной нагрузки, которые также часто неточно называют переменными и, что еще хуже — нерасчетными; они охватывают весь диапазон мощностей, в котором допускается работа ГТУ. Естественно, эти режимы просчитываются, поэтому называть их нерасчетными нам представляется не совсем логичным;
- режим холостого хода, в котором ГТУ устойчиво работает, но не несет полезной нагрузки (естественно, этот режим тоже рассчитывается);
- режимы перегрузки, в которых мощность выше номинальной (энергетические ГТУ должны допускать возможность кратковремен- ной работы на мощностях, превышающих номинальную на 10...25 %). Во всех режимах необходимо обеспечить устойчивую работу ГТУ, что определяется ее статическими характеристиками.
Кроме того, выделяют динамические режимы, в которых ГТУ переходит из одного статического состояния в другое. Здесь можно выделить:
- пусковой режим, когда ГТУ из неработающего состояния выводится на режим холостого хода, в котором готова принять полезную нагрузку;
- переходные режимы, которые определяют переход ГТУ с одной нагрузки на другую, их можно еще назвать маневренными.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 653; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!