ТЕПЛОВЫЕ СХЕМЫ И ПОКАЗАТЕЛИ ПГУ С КОТЛОМ - УТИЛИ3АТОРОМ

Парогазовая установка с котлом (ПГУ с КУ) — наиболее перспективная и широко распространенная в энергетике парогазовая установка, отличающаяся простотой и высокой эффективностью производства электрической энергии. Эти ПГУ — единственные в мире энергетические установки которые при работе в конденсационном режиме отпускают потребителям электроэнергию с КПД 55—60 %.

Эксплуатационные издержки мощной современной ПГУ вдвое ниже по сравнению с издержками на пылеугольной ТЭС. Сроки строительства ПГУ с КУ, в особенности при поэтапном вводе в эксплуатацию, намного короче, чем сроки строительства мощных тепловых электростанций других типов.

Одной из главных причин перспективности ПГУ является использование природного газа — топлива, мировые запасы которого очень велики. Газ — это лучшее топливо для энергетических ГТУ — основного элемента установки.

Рис. 43. Простейшая тепловая схема ПГУ с КУ:

ЭГ — электрогенератор; К — компрессор; ГТ газовая турбина; КС — камера сгорания; ПТ— паровая турбина; КУ — котел-утилизатор; К-р — конденсатор; Н – насос

Рис. 44. Термодинамический цикл Брайтона - Ренкина парогазовой установки с КУ.

Простейшая тепловая схема ПГУ представлена на рис. 43, а термодинамический цикл Брайтона - Ренкина изображен на рис.44. Выходные газы энергетической ГТУ поступают в КУ, где большая часть их теплоты передается пароводяному рабочему телу. Генерируемый в КУ пар направляется в паротурбинную установку (ПТУ), где вырабатывается дополнительное количество электроэнергии. Отработавший в паровой турбине(ПТ) пар конденсируется в конденсаторе ПТУ, конденсат с помощью насоса подается в КУ.

Тепловая схема генерации пара в КУ с использованием теплового потенциала выходных газов ГТУ представлена на рис.45а вместе с Q, Т - диаграммой (45б) передачи теплоты от газов к пароводяному рабочему телу. Для КУ принимают минимальные значения температурного напора Θ (“рiпсh point” — «пинч -пойнт») на холодном конце испарителя, используют в качестве поверхностей нагрева трубы с наружным оребрением и обеспечивают глубокое охлаждение выходных газов ГТУ до уровня 80—130 °С, что значительно повышает экономичность ПГУ.

а) б)

Рис. 45. Схема. Q,, Т-диаграмма теплообмена в котле-утилизаторе:

ПЕ — пароперегреватель; И — испаритель; ЭК — экономайзер; Б — барабан

Схема тепловых потоков ПГУ с КУ приведена на рис. 46, где выделены отдельные ее элементы и существующие технологические связи.

Анализ термодинамического цикла Брайтона—Ренкина позволяет получить выражение для внутреннего КПД ПГУ с КУ

η_ПГУ = N_ПГУ/Q_Г^С = (N_Г + N_П)/ Q_Г^С = η_Г + N_П/Q_Г^С = η_Г + N_П/Q_КУ·Q_КУ/Q _Г^С =

η_Г + η_П · (Q_Г^С – N_Г – ΣQ_пот)/Q_Г^С = η_Г + η_П(1 – η_Г - Σq_пот), (20.1)

где N_Г , N_П, N_ПГУ — внутренняя мощность газовой, паровой установок и ГТУ, соответственно; Q_Г^С — теплота сжигаемого в КС ГТУ топлива; Q_КУ — теплота пара КУ, поступающего в ПТУ; η_Г , η_П - внутренние КПДгазовой и паровой ступенейПГУ; ΣQ_пот , Σq_пот - абсолютные и относительные суммарные потери теплоты в ПГУ.

Рис. 46. Схема тепловых потоков ПГУ с КУ

Q^С_Г — теплота сжигаемого в ГТУ топлива; Q,_КУ— полезная тепловая нагрузка КУ; Q_Г,^КТ— теплота выходных газов ГТУ; Q^Г_пот, Q^КУ_пот Q,^П_пот, —потери теплоты соответственно в ГТУ, в КУ, в ПТУ

Следовательно,

η_ПГУ = η_Г + η_П - η_Г · η_П - η_ПΣq_пот, (20.2)

Выражение (20.2) с некоторыми вариациями предлагается в работах различных авторов. Это подтверждает общепринятое представление об особенностях технологических процессов в ПГУ с КУ.

Если предположить (см. рис.44), что Q_КУ· = Q_ПТУ,· т.е. что вся теплота пара КУ поступает в ПТУ, то справедливо выражение

Q_КУ· = G_Г ∫_S5^S4Т_Гds = D_П∫_S7^S11Т_П.В.ds = G_Гq_Г = D_Пq_П (20.3)

где G_Г и D_П - расход соответственно исходных газов ГТУ и генерируемого в КУ пара, кг/с; q_Г и q_П — удельные расходы теплоты газов ГТУ и генерируемого пара, кДж/кг; Т_Г Т_П.В. — соответственно температура газов и пароводяного рабочего тела.

Относительный расход генерируемого в КУ пара невелик из-за небольшой теплоты выходных газов ГТУ:

d_П = D_П / G_Г (20.4)

Коэффициент полезного действия КУ по прямому балансу определяется как отношение теплоты выходных газов Q_КУ, использованной для генерации пара, к ее максимально возможному значению при Т_S = Т_мин = Т_Н.В. (см. рис.45):

η_КУ = Q_КУ/Q_КУ^мах (20.5)

Можно использовать понятие «степень бинарности» ПГУ с КУ. Значение степени бинарности приближается к единице, когда удается почти полностью использовать теплоту выходных газов ГТУ для генерации пара в паровой ступени установки. В бинарной ПГУ потери теплоты Σq_пот = 0 и КПД

ПГУ η^б_ПГУ = η_Г + η_П - η_Г · η_П . В реальной ПГУ потери всегда есть и η_ПГУ < η^б_ПГУ а степень бинарности

β = η_ПГУ / η^б_{ПГУ .} (20.6)

В действительности, степень бинарности ПГУ с одноконтурным КУ составляет около 0,90, так как в такой установке не удается охладить выходные газы ГТУ до температуры ниже 150 °С. Относительно невелики и количества генерируемого пара и вырабатываемой в ПТУ электроэнергии.

На рис.47 приведена тепловая схема ПГУ с одноконтурным КУ, а на рис.48 — соответствующая Q,Т-диаграмма теплообмена между выходными газами ГТУ и пароводяным рабочим телом.

Рис. 47. Тепловая схема ПГУ с одноконтурным КУ:

ГПК — газовый подогреватель конденсата; Д — деаэратор; ПН, КН — питательный и конденсатный насосы; υ₁ - υ₅ — температура газов (остальные обозначения см. рис. 43 и 44)

Газовый подогреватель конденсата (ГПК) заменяет отсутствующие в ПТУ подогреватели низкого давления. Нагрев основного конденсата в нем вызывает понижение температуры газов до конечного значения υ_ух. В схеме предусмотрен деаэратор питательной воды, питаемый отборным паром паровой турбины.

Парогенерирующий контур одного давления состоит из экономайзера, испарителя и пароперегревателя.

Минимальный температурный напор имеет место на конце испарительных поверхностей нагрева: Θ = υ₃ — Т_нас = 8...10^оС , а соответствующая разница температур — на горячем конце пароперегревателя Θ = υ₁ — Т_ПЕ = 20...40 °С. Во избежание коррозионного износа температуру конденсата на входе в КУ Т_К^ВХ поддерживают на уровне 50...60 °С при сжигании природного газа и не ниже110^оС при переходе на жидкое газотурбинное топливо в ГТУ.

Рис.48. Q-Т диаграмма теплообмена в КУ ПГУ:

Т — температура пара и воды

Парогазовая установка с котлом (ПГУ с КУ) — наиболее перспективная и широко распространенная в энергетике парогазовая установка, отличающаяся простотой и высокой эффективностью производства электрической энергии. Эти ПГУ — единственные в мире энергетические установки которые при работе в конденсационном режиме отпускают потребителям электроэнергию с КПД 55—60 %.

Эксплуатационные издержки мощной современной ПГУ вдвое ниже по сравнению с издержками на пылеугольной ТЭС. Сроки строительства ПГУ с КУ, в особенности при поэтапном вводе в эксплуатацию, намного короче, чем сроки строительства мощных тепловых электростанций других типов.

Одной из главных причин перспективности ПГУ является использование природного газа — топлива, мировые запасы которого очень велики. Газ — это лучшее топливо для энергетических ГТУ — основного элемента установки.

Парогазовые установки могут также работать при использовании в ГТУ тяжелого нефтяного топлива, сырой нефти, побочных продуктов переработки нефти, синтетического газа, получаемого при газификации углей. Котлы-утилизаторы — важный элемент технологической схемы большинства ПГУ выполняющий во всех случаях роль утилизатора теплоты выходных газов энергетической ГТУ.

В зависимости от схем и ПГУ в КУ генерируется пар от одного до трех давлений, подогреваются вода и конденсат, вырабатывается технологический пар и др. Котлы-утилизаторы, спроектированные только для подогрева воды, называют еще газоводяными теплообменниками (ГВТО). Таким образом, КУ подразделяются на паровые, пар, которых используется для работы в паровых турбинах или направляется технологическим потребителям и водяные, в которых нагреваются сетевая вода, конденсат или питательная вода ПТУ энергоблоков, и комбинированные.

Рис. 49. Принципиальная тепловая схема парогазовой установки с котлами – утилизаторами:

ПЕ - ВД, ПЕ - НД — пароперегреватели высокого и низкого давления; И – ВД, И-НД — испарительные поверхности высокого и низкого давления; ЭК-ВД — экономайзер высокого давления; ГПК - газовый подогреватель конденсата; ДПВ — деаэратор питательной воды; ЧВД и ЧНД — части высокого и низкого давления паровой турбины; К-р — конденсатор; ПН-ВД и ПН НД — питательные насосы соответственно высокого и низкого давления; НРц — насос рециркуляции; РК — регулирующий клапан

Целью конструкторского расчета котла-утилизатора является определение величин поверхности нагрева, геометрических характеристик отдельных элементов при заданных условиях.

Для котла-утилизатора, в зависимости от типа применяемой ГГУ и принятой тепловой схемы, имеют место одноконтурная, двухконтурная (высокого и низкого давления) и трехконтурная (высокого, среднего и низкого давления) схемы генерации пара. В хвостовой части КУ обычно устанавливается газовый подогреватель конденсата (ГПК), замещающий группу подогревателей низкого давления (ПНД) паротурбинной установки. Возможны схемы с промежуточным перегревателем пара после ЧВД паровой турбины, с сепаратором влаги между ЧВД и ЧНД паровой турбины и др.

Принципиальная тепловая схема одного из вариантов ПГУ с котлами утилизаторами (с двумя контурами генерации пара) изображена на рис.49.

Циркуляция пароводяной смеси в испарительных поверхностях КУ может быть естественной или принудительной. Естественная циркуляция и горизонтальная компоновка котла-утилизатора требуют соответствующих площадей и эксплуатационных условий. Тщательная продувка и дренирование экономайзерных и перегревательных поверхностей нагрева затруднены.

Применение принудительной циркуляции рабочего тела в испари-тельных поверхностях нагрева требует установки специальных циркуляционных насосов. Такое решение позволяет осуществить свободный выбор расположения поверхностей нагрева, гарантирует стабильную работу КУ при всех возможных случаях нарушения условий эксплуатации.

При выполнении конструкторского расчета КУ задаются следующими величинами:

- вид и состав сжигаемого в ГТУ топлива;

- параметры выхлопных газов ГТУ: расход G_КТ, кг/с; температура _КТ, °С, коэффициент избытка воздуха α_КТ ; состав выхлопных газов;

- конструктивные параметры стандартной типовой секции поверхностей нагрева котла-утилизатора (КУ) или теплообменника (ТО).

Поиск по сайту: