В последние 10 лет в мировой энергетики наблюдается существенное увеличение числа заказанных и вводимых в эксплуатацию газотурбинных (ГТУ) и парогазовых (ПГУ) установок. Ожидается, что к 2012 году мощность установленных ПГУ в России составит около 20 млн кВт. Это объясняется значительными преимуществами ПГУ перед другими типами энергетических установок. Наибольшую экономичность по выработке электрической энергии имеют ПГУ бинарного типа с утилизационными котлами (УК). При работе на природном газе в конденсационном режиме электрический КПД таких установок достигает 55-60 %.
Одной из важнейших задач при проектировании ПГУ является выбор давления пара, производимого УК. В общем случае такой выбор требует оптимизационного подхода, т.к. давление пара оказывает неоднозначное влияние на характеристики ПГУ.
С целью исследования эффективности ПГУ и оптимизации их параметров были разработаны математические модели, алгоритмы и программы. С их помощь рассчитываются характеристики продуктов сгорания топлива, тепловые схемы газотурбинной установки (ГТУ), определяется производительность УК одного и двух давлений, мощность паровой турбины и выходные характеристики ПГУ.
Для расчета паропроизводительности УК была составлена система из 10 уравнений энергетического баланса, записанных для следующих элементов УК и ПГУ: пароперегревателей высокого (ВД) и низкого (НД) давления, испарителей ВД и НД, сепараторов пара ВД и НД, экономайзера ВД, газового подогревателя конденсата, деаэратора и для системы рециркуляции, поддерживающей нужную температуру конденсата на входе в газовый подогреватель.
Кроме перечисленных элементов оборудования в состав ПГУ входят: паровая турбина, состоящая из цилиндров ВД и НД, электрогенератор, конденсатор пара с обслуживающими системами, два питательных насоса ВД и НД, два циркуляционных насоса ВД и НД и др.
Названная система из 10 уравнений замкнутая, содержит 10 неизвестных, главные из которых паропроизводительность УК по контурам ВД и НД. Система решается методом последовательных приближений.
Разработанные модели и программы реализованы для одно- и двухконтурной ПГУ, сформированных на основе ГТУ-110 производства НПО «Сатурн» (по лицензии ОАО «Зоря-Машпроект», Украина).
ГТУ-110 имеет номинальную электрическую мощность 110 МВт, начальную температуру газов 1210 °С, степень повышения давления 14,7, температуру отработавших газов 589 °С и электрический КПД 36 %. Топливо - природный газ.
Для одноконтурной ПГУ выбор оптимального давления происходил в два этапа. На первом этапе диапазон возможного изменения давления пара был принят широким и, для ускорения поиска, с относительно крупным шагом. Было установлено, что оптимальное давление пара УК лежит в диапазоне 3,5-4,5. На втором этапе шаг варьирования был снижен до 0,1 МПа. Полученные результаты представлены на рисунке.
При повышении давления пара адиабатный теплоперепад в турбине, естественно, растет, а паропроизводительность котла Gук снижается. В результате при определенном давлении пара может быть получен максимум мощности паровой турбины Nпт. Это давление пара можно считать оптимальным, т.к. оно будет соответствовать максимальной электрической мощности ПГУ и, следовательно, максимальному КПД по выработке электроэнергии. Для рассматриваемой комбинированной установки с одноконтурным УК оптимальное давление пара составило 3,93 МПа (рисунок), при котором мощность ПГУ достигает 154,45 МВт, а ее электрический КПД 50,7 %.
Результаты второго этапа оптимизации давления пара одноконтурного УК
В случае ПГУ с двухконтурным УК получить экстремумы критериев эффективности и соответствующие им оптимальные значения давления пара ВД и НД не удалось. Итоговые результаты расчетного исследования (табл.) показывают, что наибольшие значения мощности и КПД ПГУ получаются при сочетании возможно высокого давления первого контура РВД и возможно низкого давления второго контура РНД. Этому есть определенное объяснение. При повышении РВД преобладает влияние прироста адиабатного теплоперепада в цилиндре высокого давления, а снижение расхода пара через него компенсируется приростом количества пара, получаемого в контуре НД за счет снижения давления в нем и, следовательно, более глубокого охлаждения отработавших газов ГТУ.
Мощность (МВт) и КПД ПГУ в зависимости
от давления пара в контурах УК
|
Pвд,
Pнд, |
6 |
9 |
13 |
|
0,1 |
NПГУ = 160,604 η = 0,5289 |
NПГУ = 164,064 η = 0,5403 |
NПГУ = 167,114 η = 0,5504 |
|
0,125 |
NПГУ = 159,558 η = 0,5255 |
NПГУ = 163,092 η = 0,5371 |
NПГУ = 166,225 η = 0,5474 |
|
0,14 |
NПГУ = 158,989 η = 0,5236 |
NПГУ = 162,565 η = 0,5354 |
NПГУ = 165,739 η = 0,5458 |
|
0,15 |
NПГУ = 158,633 η = 0,5224 |
NПГУ = 162,232 η = 0,5343 |
NПГУ = 165,434 η =0,545 |
|
0,16 |
NПГУ = 158,29 η = 0,5213 |
NПГУ = 161,916 η = 0,5332 |
NПГУ = 165,135 η = 0,5438 |
|
0,175 |
NПГУ = 157,803 η = 0,5197 |
NПГУ = 161,459 η = 0,5317 |
NПГУ = 164,713 η = 0,5424 |