Газотурбинные ТЭЦ – особенности тепловых схем и способов отпуска теплоты.
Принципиальные схемы газотурбинных установок
Рисунок 1 - Схема ГТУ с одновальным ГТД простого цикла
1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - турбина; 4 – нагрузка
Рисунок 2 - Схема ГТУ с одновальным ГТД регенеративного цикла
1 - регенератор или рекуператор; 2 - камера сгорания; 3 - компрессор;
4 - турбина; 5 – нагрузка
Рисунок 3 - Схема ГТУ с многовальным ГТД простого цикла
со свободной силовой турбиной
1 - камера сгорания; 2 - компрессор; 3 - турбина;
4 - силовая турбина; 5 – нагрузка
Рисунок 4 - Схема ГТУ с многовальным ГТД сложного цикла
(с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом)
1 - основная камера сгорания; 2 - компрессор высокого давления;
3 - турбина высокого давления; 4 - промежуточный охладитель;
5 - камера сгорания промежуточного подогрева; 6 - компрессор низкого давления;
7 - турбина низкого давления; 8 - нагрузка
Примечание - Отбор мощности от ГТД осуществляется
с вала ротора низкого давления
Рисунок 5 - Схема ГТУ с одновальным ГТД с отборами воздуха и горячего газа: 1 - камера сгорания; 2 - компрессор; 3 - турбина; 4 – нагрузка
Рисунок 6 - Схема ГТУ с одновальным ГТД замкнутого цикла
1 - предварительный охладитель; 2 - подогреватель рабочего тела;
3 - компрессор низкого давления; 4 - компрессор высокого давления;
5 - турбина; 6 - нагрузка; 7 - промежуточный охладитель
Особенности теплового режима
В первой части этой статьи были рассмотрены особенности гидравлического режима работы газотурбинных теплоэлектроцентралей (ГТЭЦ), не связанные или мало связанные с особенностями отпуска тепловой энергии. В этой, второй части публикации основное внимание будет уделено особенностям отпуска тепловой энергии от ГТЭЦ.
В настоящее время строительство электростанций различной мощности, использующих газовые турбины, работающие на природном газе, приобрело массовый характер. Причина этого – возможность достичь высоких экономических показателей по выработке электрической и особенно тепловой энергии и обеспечить конкурентоспособность с другими источниками получения электрической и тепловой энергии.
|
|
|
Выхлопные газы газовых турбин имеют высокую температуру - 350-450 градусов. Именно использование теплового потенциала выхлопных газов и обеспечивает высокие энергетические показатели по отпуску тепловой энергии от электростанций с газовыми турбинами. Здесь рассматриваются только особенности наиболее простого использования теплоты выхлопных газов – нагрева теплоносителя для систем теплоснабжения.
ГТЭЦ как источники тепловой энергии для систем теплоснабжения имеют целый ряд существенных особенностей, отличающих их от обычных котельных. Эти особенности имеются как в тепловом, так и гидравлическом режимах отпуска теплоты. Конечно, следует понимать, что тепловые и гидравлические особенности ГТЭЦ неразрывно связаны между собой и должны рассматриваться совместно.
|
|
|
Особенности ГТЭЦ должны учитываться при их проектировании и эксплуатации. Авторы надеются, что изложенные ниже материалы окажутся полезными при проектировании и эксплуатации ГТЭЦ.
Принципиальная схема ГТЭЦ представлена на рис.1.
Итак, вначале кратко перечислим основные особенности теплового режима отпуска теплоты от ГТЭЦ.
1. Высокие температуры выхлопных газов газовых турбин, что в принципе позволяет нагревать воду для систем теплоснабжения до температуры 150 градусов и выше.
2. Зависимость отпуска тепловой энергии от нагрузки электрогенераторов.
3. Сложности в регулировании отпуска тепловой энергии.
4. Необходимость принятия нестандартных мер по защите поверхностей нагрева УТО от коррозии.
5. Некоторые сложности в обеспечении тепловой энергией потребителей на территории самой ГТЭЦ.
6. Нестандартные графики температур воды в тепловой сети.
7. Способ оценки тепловой эффективности работы.
|
|
|
Принципиальной и главной особенностью ГТЭЦ является возможность получения горячей воды для целей теплоснабжения с температурой, существенно превышающей стандартные температуры в подающих трубопроводах тепловых сетей (1). Это позволяет при сравнении альтернативных схем теплоснабжения существенно снизить капитальные затраты на строительство сетей за счёт уменьшения диаметров трубопроводов, сократить эксплуатационные затраты за счёт сокращения расходов электроэнергии на перекачку воды. Препятствием для повышения температуры воды могут являться технические характеристики УТО, которые не всегда допускают нагрев воды до температуры выше 115 град. Причина этого понятна. Конструкция теплообменника должна при температуре выше 115 град. отвечать более жёстким техническим требованиям, предъявляемым к сосудам под давлением. Это создаёт для завода-изготовителя дополнительные трудности. Изготовитель не считает нужным понести финансовые затраты на совершенствование характеристик УТО, хотя эти затраты совершенно ничтожны по сравнению с массовой экономией затрат на строительство сетей. Но - ведомства разные.
Поскольку ГТЭЦ производят одновременно электрическую и тепловую энергию, то неизбежно влияние графиков отпуска одного энергоносителя на график отпуска другого. Обычно все ТЭЦ работают по электрическому графику, и газотурбинные ТЭЦ не являются исключением. В итоге отпуск теплоты на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения от ГТЭЦ становится зависимым от электрической нагрузки ГТЭЦ, которая мало, но всё-таки зависит от температуры наружного воздуха, но, главное, может иметь месячную и суточную неравномерность. В этом случае возникнут особенно негативные последствия, если ГТЭЦ работает вне энергосистемы. Для правильной оценки режимов работы ГТЭЦ в течение всего года крайне желательно перед началом проектирования ГТЭЦ иметь информацию об изменении расхода электрической энергии потребителями в зависимости от температуры наружного воздуха или при среднемесячных температурах воздуха в районе строительства.
|
|
|
Температура наружного воздуха влияет на расход и температуру выхлопных газов. Газовые турбины работают наиболее экономично при низких температурах наружного воздуха, что определяет более низкие температуры и расходы выхлопных газов именно тогда, когда системе теплоснабжения нужно значительное количество тепловой энергии. Возникает несоответствие потребностей в теплоте возможностям её получения. Как правило, летом потенциал ГТЭЦ по отпуску тепловой энергии оказывается полностью не использованным. Наличие в составе оборудования ГТЭЦ пиковой котельной позволяет исправить положение, конечно, если есть соответствующая потребность в тепловой энергии.
В обычной котельной регулирование количества отпускаемой тепловой энергии производится чаще всего поворотом задвижки или вентиля, изменяющих расход газа в котёл. Таким образом, достаточно легко плавно регулировать требуемую температуру воды на выходе из котла на нужном уровне при постоянном, как правило, расходе воды. На ГТЭЦ регулирование отпуска тепловой энергии практически возможно изменением расхода выхлопных газов, проходящих через поверхность нагрева каждого УТО, и количеством работающих УТО. Однако тепловая мощность каждого УТО постоянно меняется в зависимости от электрической нагрузки генераторов и температуры наружного воздуха. Плавное регулирование температуры воды в тепловой сети в этом случае крайне затруднено или вообще невозможно. Дискретное изменение тепловой мощности УТО чаще всего требует специальных графиков температур воды в подающем и обратном трубопроводах.
Рабочие режимы газотурбинных установок
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 кратковременной 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. Для динамических режимов определяются динамические характеристики, для которых все параметры установки не должны выходить за допустимые пределы изменения. Последнее обеспечивается системой регулирования ГТУ, которая в совокупности с системой защит ГТУ должна гарантировать исключение возникновения «нерасчетных» режимов работы ГТУ. 167 Если исключить из рассмотрения состояние окружающей среды (с характеристик которого мы начали данный параграф), то в процессе работы ГТУ возможно изменение следующих параметров: 1) давление газа перед турбиной, P1; 2) температура газа перед турбиной, T1; 3) расход газа, GГ; 4) давление газа за турбиной, P2; 5) число оборотов турбины, n; 6) мощность ГТУ, NГТУ; 7) КПД ГТУ, ηГТУ. Из перечисленных семи основных параметров независимыми являются только четыре, которые целиком определяют значения оставшихся трех. Обычно за независимые переменные принимают P1, T1, P2, n, тогда расчет турбины на частичных нагрузках сводится к определению GГ, NГТУ, ηГТУ. Рассмотрим взаимное влияние основных режимных параметров турбины. С повышением начального давления P1 увеличивается плотность газа, поступающего в турбину, что вызывает пропорциональное увеличение расхода газа GГ. Изменение начальной температуры газа T1 влечет за собой пропорциональное изменение располагаемой работы (см. формулу (2.14)) и обратно пропорциональное изменение плотности. Если в первом приближении пренебречь зависимостью КПД и степени реактивности от T1, то расход газа оказывается обратно пропорциональным, а мощность, согласно формуле (2.14), прямо пропорциональна, величине Т1 , поскольку Ni = ηiGH . В действительности с увеличением T1 реактивность снижается, потому что при постоянной окружной скорости u рост скорости потока приводит к деформации треугольников скоростей (см. 168 рис. 2.5). В результате отклонение от T1 влечет за собой увеличение потерь с выходной скоростью. Изменение давления за турбиной P2 сказывается в первую очередь на величине расхода газа через турбину. С увеличением P2 расход газа падает, что ведет к снижению мощности. Если P2 снижается, то расход газа и, соответственно, мощность турбины возрастают. Но это возможно только в определенных пределах. При достижении скорости газа в каком-либо сечении проточной части околозвуковой скорости его расход при дальнейшем снижении P2 остается постоянным, что читателям должно быть понятным из курса аэродинамики. При постоянных параметрах газа изменение частоты вращения ротора п и связанной с ней окружной скорости и также ведет к деформации треугольников скоростей и, как следствие, к некоторому уменьшению расхода газа. Одновременно падает КПД из-за увеличения потерь с выходной скоростью, и мощность меняется почти пропорционально КПД. Важное место в теории турбомашин занимают вопросы подобия как агрегатов в целом, так и отдельных процессов в них. Подобие играет значительную роль при проектировании, испытаниях, а также при эксплуатации ГТУ. Методами подобия могут быть получены безразмерные характеристики, позволяющие совмещать сходные режимы, учитывать отклонение от расчетных параметров окружающей среды и др. В рамках обзорного курса нет возможности уделить вопросам подобия должное внимание.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 922; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!