Эффективность газотурбинных ТЭЦ в энергосистемах Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2014р. Серія: Технічні науки Вип. 28

ISSN 2225-6733

ТЕПЛОТЕХНІКА ТА ТЕПЛОЕНЕРГЕТИКА

УДК 621.165:621.438

© Сапрыкин Г.С.1, Житаренко В.М.2

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГАЗОТУРБИННЫХ ТЭЦ В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ

Определены характеристики газотурбинных ТЭЦ с газовыми турбинами отечественных фирм при малых и средних тепловых нагрузках. Проанализировано влияние КПД ГТУ и температуры уходящих газов из котла-утилизатора на экономию тепловых ресурсов.

Ключевые слова: газовая турбина, теплофикация, удельный расход топлива, коэффициент использования тепла, экономия.

Саприкін Г.С., Житаренко В.М. Ефективність газотурбінних ТЕЦу енергосистемах. Визначено характеристики газотурбінних ТЕЦ з газовими турбінами вітчизняних фірм при малих і середніх теплових навантаженнях. Проаналізовано вплив ККД ГТУ і температури відхідних газів з котла-утилізатора на економію теплових ресурсів.

Ключові слова: газова турбіна, теплофікація, питома витрата палива, коефіцієнт використання тепла, економія.

G.S. Saprykin, V.M. Zhitarenko. Effectiveness of gas turbine ТРР in power systems.

The characteristics of gas turbine TPP gas turbines with domestic firms for small and medium-sized heat loadswere determined. The influence of the gas turbine efficiency and flue gas temperature from the boiler to heat saving resources was analyzed.

Keywords: gas turbine, district heating, specific fuel consumption, the utilization rate of heat savings.

Постановка проблемы. Традиционно основной технологией для ТЭЦ Украины была паротурбинная теплофикация, дающая большую экономию топлива, является одним из основных направлений развития энергетики Украины.

Анализ последних исследований и публикаций. В последнее время интенсивно развиваются газотурбинная и парогазовая технологии. Указанные технологии могут использоваться как для модернизации существующих, так и для строительства новых ТЭЦ на основе отечественных газовых турбин НІ III "Машпрект", ОАО "Турбоатом" и ОАО "Моторсич". Теплофикационные ГТУ в отличие от паротурбинных сохраняют высокие энергетические и экономические показатели и при небольших единичных мощностях 10У25 МВт и ниже, что позволяет строить, строить высокоэкономичные ГТЭЦ [1, 2].

Цель статьи - исследование влияния различных эксплуатационных факторов на эффективности газотурбинных ТЭЦ в энергосистемах Украины.

Изложение основного материала. Тепло внешним потребителям Qra на ГТЭЦ отпускается уже полностью отработавшим в газотурбинном цикле. Его величина может быть определена по тепловому балансу установки

QkC = N qKC = N3 / Пэм + Qвн + Q'ух + Qов + Qaa (1)

где QKC - тепло топлива, сжигаемого в камере сгорания;

N - электрическая мощность ГТУ;

1 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

2 ст. преп. ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет» г. Мариуполь, zhitarenko v m@pstu.edu

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2014р. Серія: Технічні науки Вип. 28

ISSN 2225-6733

Qyx - тепло уходящих газов из теплообменников;

Qoe - тепло уносимое водой из промежуточного охладителя воздуха (при его наличии);

Qoc - теплопотери через ограждающие стенки агрегатов; цэм - электромеханический КПД ГТУ.

Обычно принимают Qoc = 0, а при отсутствии промохлаждения воздуха Qoe = 0. Тогда

QkC = N / Пэм + QeH + Qyx,

(2)

а удельный расход тепла топлива в камере сгорания ГТУ

а - Qk - 1 + QeH +Qyx - 1 + а + а

N л N N л

э 1эм э э 1эм

(3)

где аен -~1~ - 1, w - - удельная выработка электроэнергии на базе теплового по-

w Qm

QeH

требления.

Удельные потери тепла с уходящими газами

CpG(tyx -t1) _ Cpd (tyx - t1) _ cpd (At)

аух =-

N

3600

3600

(4)

, 3600G

где d - ——------удельный расход газов, кг/кВт ч;

N3

G - массовый расход газов, кг/с;

1ух, ti - температура уходящих газов и окружающего воздуха.

К основным показателям энергетической эффективности функционирования ТЭЦ относятся: абсолютный КПД ТЭЦ по выработке (отпуску) электроэнергии при работе по чисто силовому циклу

л = -

N

1

qkc аКс

Коэффициент использования тепла топлива

Nэ + Qgh .

Ли.т. - -

Q.

частный КПД по производству электроэнергии

э N 1

л --

qkc - Qm акс- а„,

(5)

(6) (7)

Каждый из этих коэффициентов позволяет оценить энергетическую эффективность ТЭЦ с определенных позиций. Однако главным показателем топливной эффективности Г-ТЭЦ является размер реальной экономии топлива в энергосистеме (относительная экономия топлива в энергосистеме)

Вс - Вразд ВГТЭЦ

В

-1 --

В

ГТЭЦ

разд

В

разд

(8)

где Вразд = Вкэс + Вкот - суммарный расход топлива при раздельном энергоснабжении (КЭС + котельная);

Вкэс - расход топлива на замещаемой КЭС на выработку соответствующего количества электроэнергии;

Вкот - расход топлива на выработку тепла QeH на замещаемой котельной.

Для теплоэлектроцентрали любого типа не существует единого показателя, который бы оценивал преимущества теплофикации и давал возможность судить о степени совершенства системы агрегатов, установленных на ТЭЦ.

Коэффициент использования топлива на ТЭЦ Пи.т. является балансовым показателем. Частный КПД по производству электроэнергии пэ основан на физическом методе разделения расхода тепла (топлива) на ТЭЦ между производством электроэнергии и тепла.

Как и все известные методы распределения затрат тепла (топлива) в комплексных произ-

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2014р. Серія: Технічні науки Вип. 28

ISSN 2225-6733

водствах физический метод мало обоснован. Однако расчеты этим методом относительно просты и наглядны [1, 2].

Удельные расходы тепла в формуле (7) равны qkc

1

7

1

Чен = —, тогда из нее получим

w

7

э

1 _ 1

7 w

(9)

Удельная выработка на тепловом потреблении определяется из уравнения теплового баланса (3)

1 ( 11 1

w = =-----------Чух .

Чен \7 7 эм )

Расход газов G при заданной мощности ГТУ определяется как

(10)

G = N / 4,

где 4 - удельная полезная работа газового цикла.

В свою очередь удельный расход газов

G

d = — = f(4), (11)

1 ’ э

т. е. зависимость достаточно сложная. Поэтому в [1] на основе обработки многочисленных данных по существующим и проектируемым ГТУ разных фирм и заводов получено приближенное соотношение

d = kd _ 1ОО7 . (12)

В нем коэффициент Kd для разных типов ГТУ меняется в узком коридоре от 45 до 49 (в среднем Kd = 47...48). При подстановке (12) в (4) получим

Чух = cp (kd _ 1007) зб0о , (13)

а удельная выработка на тепловом потреблении определяется как

г -i_1

w=

1

7

-7— cp (kd _ 1 оо7 ) з~0о

7эм 3600

(14)

Удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении зависит в основном от КПД п и At. Показатели энергоэффективности рассмотрены на примере ГТУ трех украинских фирм: ГТГ-6, ГТЭ-45 и ГТГ-110 (соответственно мощностей 6.7, 54 и 110 МВт; КПД при работе по чисто силовому циклу - 31.5, 28 и 36%). Характеристика утилизирующих поверхностей нагрева при проектировании ГТУ выбираются по технико-экономическому обоснованию: удельный расход газов d 16.56, 18.1, 11.7 кг/кВт ч; выработка электроэнергии на тепловом потреблении 0.68; 0.51; 0.71; возможный отпуск тепла 9.8; 106 и 155 МВт, расход рабочего тепла 31, 271 и 357 кг/с, коэффициент Kd в формуле (12) 48.1; 46 и 48. Кроме того в расчетах принято: ср = 1.05 кДж/кг К, пэм = 0.98 и Kd = 48. Температура уходящих газов принималась равной 90оС (At = 75оС), 110оС (At = 95оС), 130оС (At = 115оС).

Подставив (10) в (9), получим

э ( 1

7 = + Чу.

К7эм

С учетом (13) выражение (15) принимает вид

7э =

— + ср(kd _ 1ОО7)3А0п

7эм 3600

(15)

(16)

На рис. 1 представлена зависимость удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении (условно кривая изменения w для разных ГТУ проведены сплошными линиями). С увеличением КПД ГТУ п и температуры уходящих газов tyx выработка на тепловом потреблении растет.

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2014р. Серія: Технічні науки Вип. 28

ISSN 2225-6733

При п > 0.35 ю достигает значений 0,7...0,8, что заметно выше, чем в мощных паротурбинных установках. Примерно таких значений как и ю достигает и электрический КПД пэ. Коэффициент использования тепла топлива можно представить в виде

■ц = N + Явн = ^ + Он. = ц + ЯшИ = ц(\ +1

Qkc Qkc Qkc N \ w

Подставив в (17) величину w из (14) получим

Ци.т = 1

(

1 +

At

1 - — - k - 10°ц)36пп

1 цэм 3600

(17)

(18)

Рис. 1 — Удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении: температура уходящих газов из КУ: 1 — 90оС; 2 — 110оС; 3 — 130оС

В рассматриваемом интервале температуры уходящих газов и КПД ГТУ п коэффициент использования тепла топлива пит лежит в пределах 0,8..0,9 и остается практически постоянным при At = ranst (tyx = ranst).

Удельный расход условного топлива на производство электроэнергии на ГТЭЦ определяется по выражению

Ьэ

0,123 = 0,123

~1~ = 1-І

ц w

0,123

1

1эм

+ Чух

кг. ут кВт ч

(19)

если воспользоваться формулами (9) и (14).

Часовой расход топлива на производство тепловой энергии на ГТЭЦ

ВТ= В - Вэ = (b - Ьэ) N

(20)

, 0,123

где b = - удельный расход топлива в силовом режиме.

1

Подставив в (20) значение b э по (19), получим

В х = = 0,123Qbh ,

w

и удельный расход

bT =

0.123 кг.ут

(21)

(22)

w кВт ч

Величина bT составляет экономию топлива Ьэк в теплофикационном режиме по сравнению с силовым режимом.

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2014р. Серія: Технічні науки Вип. 28

ISSN 2225-6733

Удельный расход топлива на выработку тепловой энергии отпущенной внешним потребителям с учетом КПД камеры сгорания

,т В т106 0,123-106 34,1 кг. у.т

b = = = , . (23)

3600 • QeHnKC 3600т7кС Пкс ГДж V '

Доли топлива фэ и рт) затрачиваемого на выработку электро- и тепловой энергии определяются по часовому расходу топлива на ТЭЦ В = b Ыэ и его затратам на выработку электроэнергии Вэ = b э N

рэ = В1 = bL = 7 р в ь пэ.

(24)

Подставив (9) в (24) получим

рэ = 1 -n; рт = 1 - рэ = п. (25)

w w

Доля топлива, затрачиваемая на выработку электроэнергии меняется с 40% (ГТЭ-45, tух=90оС) до 54% (ПТ-110, tуX=130оС).

Экономия топлива в энергосистеме при условии равенства выработки электроэнергии и тепла при раздельной и комбинированной выработке согласно формуле (8) составит

BI. = 1 —

В

Г-ТЭЦ

Вкэс + Вкот

или Bc„ = 1 - -

В • N

7э + Ькот Ввн

b

= 1 --

b •

bN + b

Nэ

= 1 --

= 1 --

b+

11

--+----

7кэс 7koW

b

w

W

(26)

где цкэс, Пкот - КПД замещаемой КЭС и котельной.

В дальнейших расчетах КПД котельной принят равным цкот = 0,85. КПД КЭС принимался равным пкэс = 0,28 (средне взвешенный за 2010 г. по энергосистеме Украины), цкэс = 0,36 (средне взвешенный по блочной части энергосистемы) и пкэс = 0,38 (средне взвешенный по этой части системы, но при проектных значениях удельного расхода топлива по блокам). Результаты расчетов представлены на рис. 2.

Рис. 2 — Относительная экономия топлива в энергосистеме в зависимости от КПД ГТУ: А - ^кэс = 0.28; В - ^кэс = 0.36; С - ^кэс = 0.38. Температура уходящих газов из КУ: 1 - 90оС; 2 - 110оС; 3 - 130оС

При сложившихся соотношениях экономичности ГТУ и паротурбинных установок КЭС,

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2014р. Серія: Технічні науки Вип. 28

ISSN 2225-6733

удельный расход топлива по ГТУ больше, чем по установкам КЭС, q = — > qK3C = —1—, что с

Л Лкзс

учетом этого экономия топлива на отпуск теплоты внешним потребителям составит

бзк = - 3(q - qxx ),

Лкот

(27)

где Э - выработка электроэнергии за рассматриваемое время. Удельная экономия тепла на единицу отпущенного составит

Лэк =

0

__ х^эк __

з і , ч і

Т—:---------г =--------w(q - Чкэс) =--------w

QBH (q - Лкэс) Л кот Л кот

(28)

1кэс )

QBH Л кот

Формула (28) дает возможность проанализировать влияние на величину экономии qK характеристик ГТУ и удельной выработке электроэнергии на тепловом потреблении.

1

1

Выводы

1. Энергетическая эффективность газотурбинных ТЭЦ определяется в основном КПД ГТУ и температурой уходящих газов из котла - утилизатора.

2. Удельный расход топлива на ГТЭЦ заметно ниже, чем на современных паротурбинных установках большой мощности практически для всей номенклатуры отечественных ГТУ.

3. Предложенная методика оценки эффективности ГТЭЦ позволит оптимальным образом подбирать утилизационное оборудование при проектировании.

Список использованных источников:

1. Чаташвили Г.П. К методике расчета показателей эффективности газотурбинных ТЭЦ / Г.П. Чаташвили // Теплоэнергетика. - 2001. - №8. - С. 32-40.

2. Сазанов П.В. Теплоэнергетические системы промышленных предприятий / П.В. Сазанов,

В.И. Ситас. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 356 с.

Bibliography:

1. Chatashvili G.P. By the method of calculating the performance of gas turbine TPP /

G.P. Chatashvili // Thermal Power Engineering. - 2001. - № 8. - Р. 32-40. (Rus.)

2. Sazanov P.V. Thermal energy systems of industrial enterprises / P.V. Sazanov, V.I. Sitas. - M.: Energoatomizdat, 1986. - 356 p. (Rus.)

Рецензент: В.А. Маслов

д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ» Статья поступила 24.04.2014

УДК 621.412

© Ткаченко К.І.*

ДО ПИТАННЯ МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ ДВИГУНІВ СТИРЛІНГА

Запропонована математична модель вільнопоршневого двигуна Стирлінга. З використанням отриманої методики розраховані параметри роботи серійно виробляємого прототипу, що підтвердило коректність розробленої математичної моделі. Ключові слова: двигун Ситрлінга, вільнопоршневий двигун, математичне моделювання.

Ткаченко К.И. К вопросу моделирования работы двигателей Стирлинга. Предложена математическая модель свободнопоршневого двигателя Стирлинга. С использованием полученной методики рассчитаны параметры работы серийно про-

канд. техн. наук, доцент, ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет», м. Мариуполь, kostvantynt@smail. com