Атематическая модель расчета оптимальной температуры наружного воздуха для проектирования котла-утилизатора теплофикационной ПГУ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.438; 621.311.22:697.34

Е.А. Ларин, А.А. Соколов, А.В. Чикалкин

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

ТЕПЛОФИКАЦИОННОЙ ПГУ

Изложены методические положения расчета оптимальной температуры наружного воздуха для проектирования котлов-утилизаторов теплофикационных ПГУ.

Котел-утилизатор, парогазовая установка, оптимальная температура, системная эффективность, паровая турбина, поверхность теплообмена, режимы работы

E.A. Larin, A.A. Sokolov, A.V. Chikalkin

MATHEMATICAL MODEL OF CALCULATION OF EXTERNAL AIR OPTIMUM TEMPERATURE FOR DESIGNING HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR

CENTRAL HEATING SGU

Methodical positions of calculation of external air optimum temperature for designing heat recovery steam generator central heating SGU are presented

Heat recovery steam generator, steam gas unit, optimum temperature, system efficiency, steam turbine, heat exchange surface, operating modes

Современные газотурбинные установки спроектированы на расчетную температуру наружного воздуха +15ОС. В реальных условиях работы при переменных температурах наружного воздуха параметры и характеристики ГТУ определяются системой регулирования мощности и изменяются в довольно широком диапазоне. В этих условиях возникает задача оптимизации расчетной температуры наружного воздуха для проектирования характеристик котла-утилизатора, работающего в составе теплофикационных ПГУ.

Для решения этой задачи разработана математическая модель расчета показателей эксплуатационной эффективности теплофикационной ПГУ, которая позволяет определять (при заданном составе оборудования ПГУ-ТЭЦ и присоединенной тепловой нагрузке) оптимальную температуру наружного воздуха для проектирования котла-утилизатора (КУ), а также: величины отпускаемой тепловой и электрической энергии; характеристики и энергетические показатели газотурбинной установки; эксплуатационные характеристики котла-утилизатора; характеристики и энергетические показатели паротурбинной установки; расход топлива; показатели тепловой и топливной эффективности.

Расчетная принципиальная схема теплофикационной ПГУ приведена на рис. 1.

Результатами расчетов, полученных путем суммирования результатов расчетов почасовых показателей, являются:

- интегральные годовые показатели выработки электрической и тепловой энергии;

- расход топлива в камерах сгорания ГТУ ;

- расход топлива в пиковые водогрейные котлы (ПВК);

- среднегодовая удельная относительная системная экономии топлива.

В летний период (при температурах наружного воздуха больше +80С) отпуск горячей воды от ПГУ-ТЭЦ осуществляется только на нужды горячего водоснабжения.

В блок исходных данных входят следующие величины:

- число и тип ГТУ и ПТУ на ТЭЦ и их параметры на расчетном режиме;

- расчетная присоединенная тепловая нагрузка ТЭЦ;

- график тепловой нагрузки по продолжительности (район строительства);

- температурный график теплосети;

- графики изменения расхода горячей воды;

- состав топлива и его теплота сгорания.

Выбор схемы обоснован её наибольшей системной эффективностью [1].

Для моделирования работы ГТУ во всем диапазоне изменения температуры наружного воздуха использовались заводские характеристики ГТУ, приведенные в табл. 1. На рис. 2 показано изменение основных характеристик ГТУ в зависимости от температуры наружного воздуха.

Рис. 1. Принципиальная схема теплофикационной ПГУ Характеристики ГТУ при 1нв=+15°С

Таблица 1

Характеристики ГТ-009 НК-14Э

1. Температура газа перед турбиной 13, 0С 950 1023

2. Степень повышения давления в компрессоре пк 6,5 9,5

3. КПД проточных частей компрессора и турбины 0,88 и 0,90 0,88 и 0,90

4. Электрическая мощность, МВт 9,0 9,5

Приведенные зависимости являются исходными для дальнейшего расчета и определяют характеристики ГТУ при эксплуатации с различными программами регулирования. Отметим общую для всех зависимостей особенность - это наличие горизонтальной площадки в интервале температур от -5 0С до +5 0С. Такое поведение связано с наличием подогрева наружного воздуха перед осевым компрессором для предотвращения льдообразования.

Расчет эксплуатационных характеристик котла- утилизатора ПГУ Разработанная математическая модель позволяет производить конструкторский расчет поверхностей котла-утилизатора (экономайзерной, испарительной, пароперегреватель-ной, а также газоводяного подогревателя) и расчет параметров теплоносителей при заданных давлении и температуре свежего пара.

Расчет КУ производится в соответствии с принятой методикой [2].

В течение года температура газов 1^ на входе в КУ существенно меняется (рисунок 2). Поэтому после конструкторского расчета при заданной температуре наружного воздуха (соответственно, заданы температура газов на входе в КУ и тепловая нагрузка), рассчитываются характеристики КУ (расход и температура пара) на нерасчетных режимах (поверочный расчет). В практике оптимизационных исследований ПГУ минимальный температурный напор ЛТщш на каком-либо участке теплообмена в КУ обычно принимают постоянным при конструкторском расчете. При поверочном ЛТщш изменяется, но должно соблюдаться условие ЛТщ[П>0. Минимальный температурный напор выбирался исходя из величины относительного расхода пара g<срг/срв ^=Вп/вг) (а также исходя из того, что самая большая доля подводимой теплоты в КУ приходится на испарительную зону) на горячем конце экономайзерной части КУ (ЛТШ[П=15 К) [3].

а

б

Рис. 2. Характеристики ГТУ в зависимости от температуры наружного воздуха а - НК-14Э, б - ГТЭ-009,. N - мощность ГТУ ; ^ - температура газов после газовой турбины;

вг — расход дымовых газов в КУ

Расчет характеристик КУ производится в следующей последовательности. Конструкторский расчет.

1. Принимается температура газов после испарительной поверхности:

Типвых—Тнас + ЛТтп (1)

где Л1т1п =15оС - минимальный температурный напор.

2. Расход пара и площадь поверхностей теплообмена определяются на основе уравнений теплового баланса и теплопередачи.

3. Методом последовательных приближений производятся уточняющие расчеты расхода пара для обеспечения минимального температурного напора на холодном конце

экономайзера Л1т1п=15°С и наибольшего расхода пара при заданных его параметрах, рассчитываются поверхности нагрева испарителя и пароперегревателя.

4. Определяется поверхность экономайзерной части.

Поверочный расчет.

1. Каждой температуре наружного воздуха (по рис. 2) соответствуют площадь поверхностей нагрева КУ и номинальный (расчетный) расход пара (рис. 3).

2. Рассчитываются поверхности теплообмена по уравнениям теплового баланса и теплопередачи, при этом в каждой поверхности имеются две неизвестные величины:

- экономайзерная поверхность - температура газов на выходе из поверхности и энтальпия воды на выходе;

- испарительная поверхность - температура газов на выходе из поверхности и энтальпия пароводяной смеси на входе;

- пароперегревательная поверхность - температура пара на выходе и температура газов на выходе из поверхности.

а

б

Рис. 3. Изменение площади поверхностей нагрева и расхода пара в зависимости от температуры наружного воздуха конструкторского расчета КУ

а - НК-14Э, б - ГТЭ-009.

Бку - расчетная площадь поверхности нагрева; Бп - расчетный расход пара.

л пп л пп л пп л пп

В расчетах должно соблюдаться условие 1г.вх — 1вых >15°С, где 1г.вх ’1вых - температура продуктов сгорания на входе в КУ и температура пара на выходе из КУ соответственно; А1т1п >0 - минимальный температурный напор на холодном конце экономайзера; 1;ух не

меньше 110°С - температура продуктов сгорания после экономайзера КУ.

3. Методом последовательных приближений определяются соответствующие расход и температура свежего пара на выходе из котла. В случае превышения расхода пара относительно расчетного значения’ принимается расход’ равный расчетному’ и производится поверочный расчет КУ с известным Эп.

Мощность паротурбинной установки для турбин типа Р определяется как

N Г = (Ь1 — Ц) 'Ло1 -Лмг ’ (2)

где Эп - расход пара в голову турбины; Пог внутренний относительный КПД турбины; Пмг -

произведение электрического и механического КПД генератора.

Далее производится расчет количества теплоты’ отпущенной потребителю в соответствии с графиком тепловых нагрузок. Рассчитывается количество теплоты, отданное сетевой воде сетевыми подогревателями паровой турбины и газоводяным подогревателем КУ. В случае выполнения условия От>=Оут.тс, (тепловая нагрузка сети превышает тепловую мощность сетевых подогревателей и ГВП) производится расчет необходимой дополнительной теплоты и соответствующего ей расхода топлива в ПВК.

Расчет текущих характеристик ПГУ-ТЭЦ проводится для диапазона изменения температур наружного воздуха от +30 до -300С, соответствующего полному времени работы парогазовой ТЭЦ за год. Расчет характеристик ведется в часовом режиме. Таким образом, полное число рассчитываемых за год режимов составляет 8760. Для каждого режима рассчитывается удельная относительная системная экономия топлива [4]. Суммируя эти показатели по всему диапазону температур, получаем среднегодовую удельную относительную системную экономию топлива в- Среднегодовую удельную относительную системную экономию топлива рассчитываем для разных площадей поверхностей нагрева КУ. В результате получаем график изменения среднегодовой удельной относительной системной экономии топлива в от температуры наружного воздуха конструкторского расчета КУ (рис.4).

в,год

в,год

* КУ V

*нв , С

а б

Рис. 4. Изменение среднегодовой относительной удельной системной экономии топлива в от темпе-

ку

нв

ратуры наружного воздуха конструкторского расчета котла-утилизатора ПГУ ТЭЦ t.

а - НК-14Э, б - ГТЭ-009

ВЫВОД

Выбор температуры конструкторского расчет котла-утилизатора ПГУ-ТЭЦ (т.е. величины площадей теплообменных поверхностей нагрева) будет зависеть от способа регулирования ГТУ, использования камеры сжигания дополнительного топлива перед КУ, а также от величины присоединенной тепловой нагрузки и от того, какую часть графика тепловой нагрузки по продолжительности покрывает данная теплофикационная ПГУ (без ПВК).

ЛИТЕРАТУРА

1. Соколов А. А. Системная эффективность отопительных ПГУ-ТЭЦ в системах теплоэнер-госнабжения: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.01. Саратов, 2005, 190 с.

2. Васильев А.В. Тепловой расчет котлоагрегатов / Акимов Ю.И., Васильев А.В., Мусатов Ю.В.; под ред. Г.В. Антропова. Саратов: СГТУ, 1994. 95 с.

3. Осипов В.Н. Термодинамическая оптимизация схем и параметров бинарных парогазовых установок: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.01. Саратов, 2001, 200 с.

4. Математическое моделирование энергетических характеристик ПГУ / А.И. Андрющенко, Е.А. Ларин, А. А. Соколов, А.В. Чикалкин // Вестник СГТУ. 2008. №1(2). С.223-236

BIBLIOGRAPHY

1. Sokolov A.A.system efficiency heating SGU-TPS in heat and power supply systems: Diss. ... Cand.Tech.Sci.: 05.14.01. Saratov, 2005, 190 p.

2. Vasil'ev A.V. Thermal calculation of boiler unit / Akimov J.I., Vasilev A.V., Musatov J.V.: Under the editorship of G.V.Antropov. Saratov: SSTU, 1994. 95 р.

3. Osipov V. N. Thermodynamic optimization of schemes and parameters binary steam-gas power installations: diss. .Cand.Tech.Sci.: 05.14.01. Saratov, 2001, 200 p.

5. Mathematical modeling of power characteristics SGU / A.I.Andrjushchenko, E.A.Larin, А.А. Sokolov, A.V.Chikalkin // Bulletin SSTU. 2008. №1 (2). P.223-236.

Ларин Евгений Александрович -

кандидат технических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского государственного технического университета Соколов Андрей Анатольевич -кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского государственного технического университета Чикалкин Александр Валерьевич -аспирант кафедры «Теплоэнергетика» Саратовского государственного технического университета

Larin Evgeniy Aleksanrovich -

Candidate of Technical Sciences, the professor

of chair «Power system» of the Saratov state

technical university

Sokolov Andrey Anatol’evich -

Candidate of Technical Sciences, the docent of

chair «Power system» of the Saratov state

technical university

Chikalkin Aleksanr Valer’evich -

the post-graduate student of chair «Power

system» of the Saratov state technical university