CC BY
49
УДК 621.311.22
Влияние направляющего аппарата компрессора ГТЭ-110 на показатели работы блока ПГУ-325
Мошкарин А.В , д-р техн. наук, Шелыгин Б.Л., канд техн. наук, Жамлиханов Т.А., асп.
Разработаны статические характеристики, позволяющие оценить зависимости мощности отдельных элементов, параметров теплоносителя и рабочей среды, КПД ГТУ и ПГУ от степени открытия входного направляющего аппарата компрессора ГТУ и температуры наружного воздуха.
Ключевые слова: газотурбинная установка (ГТУ), температура наружного воздуха, коэффициент избытка воздуха, КПД, электрическая мощность, входной направляющий аппарат, компрессор.
Influence of GTE-110 Compresser Exducer on Operating Characteristics
of CCGT-325 MW Power Unit
B.L. Shelygin, Candidate of Engineering, A.V. Moshkarin, Doctor of Engineering, TA Zhamlikhanov, Post-Graduate Student
Static characteristics, allowing to estimate dependences of power of separate elements, parameters of the heat-transfer and a workspace, coefficient of efficiency of GTU and CCGT from a degree of the GTU compressor exducer opening and outdoor temperature are developed.
Keywords: gas turbo unit (gas turbine), outdoor temperature, excess air coefficient, coefficient of efficiency, electric power, exducer, compressor.
Поворотом лопаток ВНА на определенный угол Ф изменяют расход GB и степень закручивания воздушного потока в сторону вращения ротора газовой турбины (ГТ), влияющие в целом на режим всей ГТУ Поворот лопаток ВНА позволяет;
• повысить экономичность ГТУ при переменных режимах;
• стабилизировать параметры уходящих из ГТУ газов;
• обеспечить надежность эксплуатации в переменных режимах.
Угловое положение лопаток ВНА (угол открытия ф) контролируется [2]:
• визуально (стрелкой по шкале);
• дистанционно (датчиком угла открытия ф, выдающим сигнал на блочный щит управления).
Повышение экономичности ПГУ достигается за счет автоматизации процессов установки в резервном диапазоне нагрузок. Создание автоматизированной системы управления (АСУ) [3] возможно с помощью алгоритмов управления объектом с использованием статических характеристик.
В ходе эксплуатации ГТУ АСУ должна обеспечивать автоматическую настройку ВНА для поддержания следующих параметров:
• температуры газов за ГТУ й"ггу и соответствующей температуры пара за котлом-утилизатором (КУ) tEt;
• оптимального значения коэффициента избытка воздуха за ГТУ а"т
• максимального значения КПД ПГУ т]пгу-Ниже получены статические характеристики
применительно к энергоблоку ПГУ-325 ОАО «Ивановские ПГУ»[4]. Расчетное исследование выполнялась с использованием данных ИК ЗиОМАР и ВТИ, полученных в результате тепловых расчетов
В ходе эксплуатации парогазовых установок (ПГУ) ТЭС газотурбинные установки (ГТУ) работают в переменных режимах [1] и их технологические показатели отличаются от расчетных значений (при температуре наружного воздуха 1чар= 15 °С) [2].
В зависимости от нагрузки потребителя и значений изменяется вырабатываемая электрическая мощность ГТУ N1^. Для поддержания номинальной частоты вращения ротора газовой турбины (ГТ) 3000 об/мин соответствующий расход топлива В в камеру сгорания (КС) ГТУ подается с помощью топливных клапанов. Требуемый расход воздуха регулируется открытием (закрытием) входного направляющего аппарата (ВНА), установленного после конфузора осевого компрессора установки (рис. 1).
Рис. 1. Схема регулирования мощности ГТУ: ВНА - входной направляющий аппарат; ОК - осевой компрессор; КС - камера сгорания; ГТ - газовая турбина; КУ - котел-утилизатор; ПТ -
элементов ПГУ-325. В качестве сжигаемого в КС ГТЭ-110 топлива принят природный газ с теплотой сгорания Ор„ = 49,4 МДж/кг [5].
Регулирование значений давления и температуры пара за КУ не предусмотрено. Рабочий диапазон паропроизводительности КУ соответствует диапазону возможных нагрузок ГТУ в условиях моноблочного режима ПГУ.
При работе ПГУ на номинальной нагрузке ВНА находится в максимально открытом положении (ф = 0 град.). Установлено, что эффективная работа ВНА характерна для относительной мощности ГТУ, составляющей 75+100 % от номинальной величины. Тогда для поддержания оптимального значения а"ггу = 3-5-4, в зависимости от Мр-у и Ъар, угол открытия ВНА ф должен находиться в пределах 0+30 град. (рис. 2) и изменяться согласно следующей зависимости, град.:
Ф = 2,25(30 - 1нар)°’33 - к, (Мгту - 80)0,91, (1)
где К! = 2,58-0,21(30-^р)0'44.
Ф, град
20
10
0
80 100 120 IV МВт
2 Лзмеі-егіие угла открытия ВИА компрессора ГТУ в зависают-» г* ее электрической мощности и температуры наружной: эсагухз 1 —30 °С; 2 - 15 °С; 3 - 30 °С
Рис. 3. Изменение электрической мощности ГТУ в завислмости от температуры наружного воздуха и угла открытия ВНА <р\ 1 -0 град.; 2 - 15 град.; 3-30 град.
В пределах їнар = 0+30 °С для всех значений <р величина Ыргу существенно возрастает (в 1,17+1,2 раза). При низких ^ар (-30+0 °С) и максимально открытом ВНА (ф = 0 град.) величина Ир-у возрастает в меньшей мере (на 11 %). В случаях высоких значений ф (15+30 град.) значения Ырту возрастают незначительно (на 2+5 МВт).
За счет сокращения энергозатрат на работу ОК ГТУ для Ыгту = 90+110 МВт, когда ф = 0+7,5 град., при снижении ^р от 30 до -30 °С КПД ГТУ возрастает от 32,8+33,1 до 36,3+36,8 % (рис. 4) согласно следующим зависимостям,%:
• при інар< О °С
г|(ту = 37,1 — 0,15ф - к4 (інар + ЗО) , (4)
где к4 =0,055-0,01 Зф0'4;
• При ^ар >0 °С
Лгту = 35,1 - 0.057Ф1'06 - М„ар1'04. (5)
где к5 =0,06-0,00083Ф.
Когда и,р=30 °С, снижение ІМп-у на 16 МВт, до 34 МЗт. обеспечивается поворотом лопаток ВНА -»а гредельную величину (ф = 30 град.). При этом в случае ^р = -30 °С снижение электрической мощности ГТУ более чем глубокое (на 27 МВт).
Для возможного диапазона нагрузок ГТУ (82,5+130 МВт) применительно к зоне эффективного действия ВНА (ф = 0+30 град.) ее электрическая мощность при снижении їнар от 30 °С до -30 °С изменяется согласно следующим зависимостям (рис. 3), МВт:
• при 1нар< 0 °С
105
Ыгту=131-ф1'06-к2(30 + 1нар)' , (2)
где к2 = 0,4 — 0,18ф0,19;
• при Ъар >0 °С
Мггу=119-0,8ф-к31нар1’05 (3)
где к3 = 0,63-0, ОООбф1,7.
Рис. 4. Изменение КПД ГТУ в зависимости от температуры наружного воздуха и угла открытия ВНА ф: 1 - 0 град.; 2 -7,5 град.; 3-15 град.; 4-30 град
В случаях пониженных температур ^р = -30+0 °С и низких нагрузок 1\1гту, когда о = 15+30 град., значения КПД ГТУ изменяются незначительно (на 0,1+0,2 %).
Расход природного газа в КС ГТУ определяется изменением приращений величины и
Пт, кг/с:
в ЮОМгту
ЛгтуОр
(6)
где йрр - располагаемая теплота топлива, МДж/кг [5] Теплосодержание топлива не превышает 1 % от его теплоты сгорания 49,4 МДж/кг. Тогда расход природного газа в зависимости от определяющих факторов рассчитывается по следующим уравнениям, кг/с:
• при ^ар < О °С
В = 7,1-0,023<рш-к6(інар+30)
где к6 =(7-0,34ф0'91)іСГ3:
• при ^р >0 °С В = 6,84-0,01
1,05
где к7 = 0,02
0,00001 бф1’
В диапазоне ф = 0+30 град., согласно топливной характеристике, при снижении ^ар от 30 до -30 °С величина М|-у возрастает на 15+31 %, а КПД ГТУ на 4+11 %. Поэтому, по сравнению с минимальными значениями (5,15+6,1 кг/с), расход топлива возрастает в 1,1 + 1,17 раза, достигая при 1„ар = -30 °С и(? = 07 град, значений 6,75+7,1 кг/с (рис. 5).
В, кг/с
7.0 6,5
6.0
5,5
5,0
1
2 Г\
\1
-30
-15
15
Рис. 5. Изменение расхода топлива г КС ГТУ в зависимости от температуры наружного воздуха при различных углах открытия ВНА ф: 1 - 0 град.; 2- 15 град. З-ЗСгэад.
Для снижения мощное™ установки Ыргу уменьшают расход толлиза з КС. Одновременно с помощью ВНА осевого компрессора ГТУ снижают расход окислителя. При номинальных значениях (Мпу ВНА открыт полностью
Закрытие ВНА поворотом его лопаток на 30 град, обеспечивает эффективное снижение нагрузки агрегата в диапазоне (0|7+1,0)МномГту при оптимальных значениях коэффициента избытка воздуха ос^ггу = 3+4 [1, 2].
В зоне эффективного действия ВНА (ф = = 0+30 град.) изменение расходов газов за ГТУ в зависимости от определяющих факторов рассчитывается согласно следующему уравнению (рис, 6), кг/с:
я о / \ 1.0 9
Бп--403-0,044ф2-0,73 (1нар+30) .
(9}
(7)
(8)
кг/с
370
330
290
1
_зЛ*
-30
-15
15
и. °с
Рис. 6. Изменение расхода газов за ГТ в зависимости от температуры наружного воздуха и угла открытия ВНА ф: 1 — 0 град ; 2 -15 град.; 3-30 град.
Для всех значений ф в случаях снижения температуры наружного воздуха от 30 до -30 °С величина С'гт возрастает на 17+24 %, При неизменных ^ар и увеличении ф от 0 до 15 град, расход газоэ резко снижается.
Оценка необходимого положения лопаток ВНА для обеспечения требуемых параметров газов на входе в КУ осуществляется с помощью зависимости, град.:
403-О^-0,73(1нар+30)'
1.09
0,5
(10)
С использованием уравнений (7Н9) расход воздуха в КС ГТУ можно определить по формуле, кг/с,
-В.
(11)
Температура газов за ГТУ имеет важное значение для работы КУ и показателей ПП/ в целом. В случаях, когда 1„ар выше 5 °С, температура газов за ГТУ повышается от 520 до 540+550 °С и определяется согласно следующей зависимости (рис. 7), °С:
3^=520 + 0,8(1нар-5).
(12)
Рис. 7. Изменение температуры газов за ГТУ в зависимости от температуры наружного воздуха при различных углах открытая ВНА ф: 1 -0 град.; 2-15 град.; 3-30 град.
При ^ар < 5 °С с увеличением ф до 30 град, температура газов за ГТУ снижается на 20+25 “С согласно зависимости, °С,
9^=520-к8(5-1нар)1'14, (13)
где ке = 0,97 + 0,036ф1,ое.
Для исключения эрозионного износа элементов проточной части ЦНД паровой турбины марки К-110-6,5 температура пара перед ней не должна быть ниже 430 °С.
Температурный напор на входе в КУ (тракт ВД) составляет 30-40 °С Поэтому минимальное значение температуры газов за ГТУ, по условию надежности работы энергоблока в целом, должно превышать 455 ЭС Данное значение обеспечивается величиной о = 30 град,, которой соответствуют ^агоузки М-у = 80-85 МВт.
Для сребренных труб испарительного пакета оэфсвлциент теплопередачи определяется, преимущественно, величиной коэффициента теплоотдачи конвекцией, пропорциональной расходу .■азов Понижение значения этого коэффициента при дополнительном снижении температурного нагэра ведет к ухудшению тепловосприятия паро-генеоирующей поверхности. Поэтому при увели--ен/и и от 0 до 30 град, паропроизводительность контура ВД снижается согласно следующим зависимостям, т/ч:
• при ир < 0 °С
Оед = 165 - 0,73ф - 0,25 (0,1 - 1нар )1'1; (14)
• при 1нар >0 °С
Овд =165-0,73ф-0,091нар. (15)
Для всех значений ф и ^ температура пара ВД на 20-30 °С ниже соответствующей величины 5"гт В случаях ^ар >0 °С температура острого пара независимо от величины ф равна (рис. 8), °С,
1вд=491 + 0,81нар. (16)
Рио. 8. Изменение температуры пара ВД за КУ при моноблочном режиме ПГУ в зависимости от температуры наружного воздуха при различных углах открытия ВНА ф: 1 - 0 град ; 2 -15 град.; 3-30 град.
При Ъар < 0 °С с увеличением величины ф и снижении нагрузки ГТУ за счет ухудшения тепловосприятия пароперегревателя ВД температура пара за КУ уменьшается согласно зависимости, °С,
1
*Вд=491-к9(0,1-1нар)' , (17)
где к9 = 0 83 + 0,012ф1,15.
По условию надежности работы последних ступеней ПТ, снижение величины ограничивается значениями 430-440 °С [6]. При температурном напоре на входе в газоход пароперегревателя ВД, равном 25+30 °С, минимально допустимая температура ЭУг = 455 °С при максимальной степени закрытия ВНА (ф = 30 град.) обеспечивается при 1нар = -(20+25 °С) и 1\1гту = 80+83 МВт
Применительно к моноблочному режиму работы ЛГУ для диапазона 1нар = -30+0 °С паропроизводительность контура НД при снижении температуры наружного воздуха линейно возрастает от 28+31 до 31+36 т/ч согласно зависимостей, т/ч:
• при ф = 0+18 град.
Онд = 35,5-0,13(30 + (нар); (18)
* при ф = 19+30 град.
Онд = 31,5 0,11(30 + 1нар). (19)
При 1нар выше 0 °С расход пара за пароперегревателем НД с увеличением значения <р снижается на 3+4 т/ч согласно зависимости, т/ч,
0нд=32,5-0,14ф-0,131нар. (20)
В случаях снижения нагрузки ГТУ с увеличением угла открытия ВНА температура 1цд мало зависит от величины ф (абсолютная погрешность составляет менее 1,5 °С). С увеличением 1нар в пределах -30+30 °С температура пара контура НД возрастает на 5+7 °С согласно зависимости, °С,
1нд = 203,5 + 0,11(з0-1нар). (21)
Эффективность КУ определяется отношением его тепловосприятия на выработку пара ВД и НД к теплосодержанию уходящих из ГТУ газов в КУ [4].
Так как изменение значений теплоемкости газов за ГТУ в интервале температур 90+560 °С не превышает 2% [7], то КПД КУ можно оценить по формуле, %,
Г|Ку,%
Лку
= 100
Эцу Эух
8,
(22)
КУ
где Эу, - температуры соответственно на входе и выходе из КУ, °С.
Для дубль-блочного режима ПГУ максимальные значения температуры уходящих из КУ газов составляют &у,= 99+101 °С.
Применительно к моноблочному режиму ПГУ температура Зух за КУ, по сравнению с дубль-блочным режимом, на 1,5+11 °С ниже за счет пониженного давления рабочей среды.
При снижении нагрузки ГТУ до минимально допустимой (80 МВт), когда значение ср достигает 30 град., температура уходящих газов в зависимости от и <р может рассчитываться согласно зависимости (рис. 9), °С,
= 94,6 - 0,0005(р2,3 - 0,033(30 + t13p)
1,04
(23)
°С
94
93
92
91
1
2J
\з_
-30
-15
15
Рис 9. Изменение температуры уходящих газов из КУ при моноблочном режиме ПГУ s зависимости от температуры наружного воздуха при различных углах открой я ВНА ф: 1 - 0 град.; 2 — 15 град.; 3-30 град.
Если снижается от 30 до -30 °С, то значения Зу,, увеличиваются на 1,5+2,0 сС. При снижении нагрузки ГТУ, когда величина о возрастает в пределах 0+30 град., значение Зу, понижается в той же мере.
Применительно к рабочему диапазону нагрузок одной ГТУ (80+130 МВт), в зоне эффективного действия ВНА, когда q> = 0+30 град., в зависимости от tap, температуры газов на входе в КУ находятся в пределах 466+546 °С. Тогда зозможные значения КПД КУ равны пку= 79+83 % (рис. 10).
В диапазоне t^p = -30+0 сС с увеличением ф от 0 до 30 град., когда температура 3"гг составляет 455+510 °С, КПД КУ изменяется согласно зависимости (рис. 7), %
тку=81,9-к10(0,1-1^р)11. (24)
где к1С = 0,037 -0 00035с"33
82
81
80
79
-30
1
VL
/\1_
-15
15
W °С
Рис. 10. Изменение КПД КУ при моноблочном режиме ПГУ в зависимости от температуры наружного воздуха при различных углах открытия ВНА ф: 1—0 град.; 2-15 град.; 3-30 град.
При минимальной = -30 °С величина т|ку снижается на 1,3 %. С увеличением Ъар до 30 °С, когда ф возрастает от 0 до 30 град., т1ку снижается в пределах 81,7+83 % согласно зависимости, %,
%у - 81,8 + KiitHap
о,эв
(24)
где ^=0,037 + 0,00029.
Параметры пара ВД и НД оказывают влияние на нагрузку ПТ Nm и, как следствие, на общую электрическую мощность ПГУ.
Для моноблочного режима ПГУ максимальное значение мощности ПТ соответствует температурам = -5+5 °С. Когда t^p = -30+30 сС, величина мощности ПТ с увеличением ф в пределах 0+30 град, снижается согласно зависимости, МВт,
(25)
Мпт =57- 0,068ф1'4 - 0,033 (0,1- 1нар )1’47.
Значение Мри- снижается, преимущественно, за счет понижения &"гт, на 3+7 МВт.
Наивысшее значение 1\1лт соответствует максимальной нагрузке ГТУ, когда ср = 0+5 град.
При более высоких температурах 1НЗр нагрузка ПТ снижается от 50+56 до 43+48 МВт согласно зависимости, МВт,
N,
!пт
■ 57
-0,068<р14 -0,9Инар0,63.
(26)
Несмотря на высокие значения 3"гт, снижение N□1 обусловлено пониженным расходом газов и ухудшением тепловосприятия рабочих поверхностей нагрева.
Для 1нар = 0+30 °С изменение мощностей всей ПГУ аналогично изменению МПт (рис. 11).
С увеличением угла открытия ВНА в пределах Ф = 0+30 град, электрическая мощность ПГУ снижается на 20+25 МВт согласно зависимости, МВт,
1МПГУ = 177-1, V
0,98
1,25tHap0,83.
(27)
КПД ПГУ снижается согласно зависимости, %,
Ппгу = 51,5 -0,65Ф0'51 + к13 (30 + tHap)0’88, (29)
где к13 =0,02 + 0,011ф°-е
При всех значениях <р КПД ПГУ уменьшается на 1+1,5 % за счет снижения мощности ПТ из-за существенного понижения температуры газов за ГТУ 9"гт.
В случаях высоких температур 1нар = 7+30 °С за счет повышения КПД КУ на 1+1,3 % и улучшения тепловосприятия его поверхностей нагрева КПД ПГУ рассчитывается по формуле, %,
Ппгу = 51,8-0,01 бф1-34 -0,114(tHap -7)°'94, (30)
С увеличением ф в пределах 030 град. КПД ПГУ снижается от 50,3+51,9 % до 48+49,7 %. При этом удельный расход условного топлива составляет Ьу = 0,237+0,284 кгУ(кВт-ч).
В случае дубль-блочного режима ПГУ при максимальном закрытии ВНА (ф = 30 град.) и снижении мощности каждой ГТУ до Nnry - 55+64 МВт КПД энергоблока равен гщгу= 41+42 %. Поэтому при минимальной нагрузке энергоустановки (50+60 %) наиболее экономичным является моноблочный режим ее работы при максимальной мощности одной ГТУ, когда гщту оказывается на 7+9 % выше.
Список литературы
1. Ольховский Г.Г. Энергетические газотурбинные установки -М. Энергоатомиздат, 1985.
2. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций; Под ред. С.В. Цанева - М.: Изд-во МЭИ, 2002.
3. Демин А.М. Автоматизация технологических процессов на тепловых электрических станциях: Учеб. пособие / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им В.И. Ленина» - Иваново, 2004.
4. Батенко A.B., Тишин К.П., Сладко в Н.Е. Перспективный проект отечественной ПГУ-325 // Газотурбинные технологии. - 2009 - № 7 - С. 2-6.
5. Тепловой расчет котлов: нормативный метод: Под. ред. Н.В. Кузнецова, В.В. Митора и др. - СПб : Изд-во НПО ЦКТИ, 1998.
6. Турбина паровая К-110-6,5 для ПГУ-325 Расчетносправочные данные (8600001 РР 0201).
7. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгорания. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1962.
Мошкарин Андрей Васильевич,
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»,
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой тепловых электрических станций,
телефон (4932) 41-60-56,
адрес: г. Иваново, ул. Голубева, д. 6, кв. 86,
e-mail: admln@tes.ispu.ru
Шелыгин Борис Леонидович,
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», кандидат технических наук, профессор кафедры тепловых электрических станций, телефон (4932) 41-60-56, e-mail: admin@tes.ispu ги
Жамлиханов Тимур Абдупьверович,
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», аспирант, ассистент кафедры тепловых электрических станций, телефон: (4932)41-60-56, 8-915-821-56-26, 8-920-346-44-89, e-mail: admin@tes.ispu ги
Минимальные значения Г\1Пгу = 124+156 МВт характерны для 1нар = 20+30 °С. В случаях низких температур величина ЫПгу меняется незначительно (на 4+7 МВт) согласно зависимости, МВт,
ЫПГу -177 — 1,1ф0,98 +к12 (0,1- 1нар), (28)
где к12 = 0,17+ 0,011ф.
Рис. 11. Изменение мощности ПТ и ПГУ при моноблочном режиме ПГУ в зависимости от температуры наружного воздуха при различных углах открьл-ия ВИД ф: 1 — С град.; 2-15 град. 3-30 град
В случаях низких температур 1нар при малой степени открытия ВНА (ср = 0+5 град.) нагрузка Ыпгу увеличивается на 1+6 МВт за счет превышения мощности ГТУ снижения значений МПт-
Изменение КПД ПГУ брутто гщгу повторяет характер зависимости Ыпп/ от величины {рис. 13). Максимальные значения т!пгу= 50,3+51,9 % соответствуют температурам 5+10 °С. При ^ менее 7 °С
