CC BY
50
УДК 621.1.018.4 : 621.18
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ РЕСУРСОВ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА В СОСТАВЕ ПГУ
А.Н. БУШУЕВ Орский гуманитарно-технологический институт, г. Орск
Разработана функциональная зависимость показателя полезного использования первичных энергоресурсов котла-утилизатора, работающего в составе ПГУ, учитывающая характерные параметры газотурбинного цикла. Произведено сравнение зависимости данного показателя котла-утилизатора от температур рабочих газов ПГУ: перед газовой турбиной, за газовой турбиной и за котлом-утилизатором. Рассмотрена возможность дожигания в котле-утилизаторе горючих ВЭР, и выведена зависимость изменения коэффициента полезного использования первичных ресурсов котла-утилизатора от подачи ВЭР на дожигание.
Ключевые слова: газотурбинная установка, парогазотурбинная установка, котел-утилизатор, первичные энергоресурсы, вторичные энергоресурсы.
Одним из крупнейших потребителей энергоресурсов в России, как и во всем мире, является промышленность: предприятия различных ее отраслей расходуют до 6065% всех используемых энергоресурсов. При этом около 50% всего расхода энергетических ресурсов приходится на энергоемкие отрасли, занятые добычей и переработкой сырья: металлургию, нефтеперерабатывающую и химическую промышленность. Потребности в электрической и особенно в тепловой энергии, расходуемой на обеспечение основных технологических процессов, покрываются за счет работы промышленных ТЭЦ [1, 2].
Широкие возможности повышения термической эффективности электрогенерирующего оборудования открываются при использовании комбинированных (парогазовых или газопаровых) установок, в которых пар и газ используются в едином энергетическом комплексе. В этом случае, даже при уже освоенных параметрах рабочих тел, можно достигнуть технико-экономических показателей значительно более высоких, чем для современных паротурбинных блоков. Парогазовая установка с котлом-утилизатором (ПГУ с КУ) - наиболее перспективная и распространенная в энергетике парогазовая установка, отличающаяся простотой и высокой эффективностью генерации электроэнергии [1, 3 - 5].
Первичными энергоресурсами котла-утилизатора, работающего в составе ПГУ, является тепло уходящих рабочих газов ГТУ. Коэффициент полезного использования первичных энергоресурсов для котла-утилизатора может быть выражен как функциональная зависимость двух интервальных показателей системы - температур рабочих газов за турбиной (перед котлом) и за котлом-утилизатором - следующим образом [2, 3, 6, 7]:
/(х, у) = 1 - 0,025 • ^ - ^ -- 91, (1)
-'пар 'пв 1gaz(х)
где х - температура рабочих газов перед котлом утилизатором, 0С (первый интервальный показатель функциональной зависимости); у - температура уходящих газов за котлом-утилизатором, 0С (второй интервальный показатель функциональной
© А.Н. Бушуев Проблемы энергетики, 2013, № 3-4
зависимости); /пар, /кип, /ш - энтальпия генерируемого пара, пара на продувку
барабана и питательной воды соответственно, кДж/кг; 0,025 - коэффициент, учитывающий долю отбора пара на продувку барабана котла (2,5%); Igaz (х) - функция
энтальпии рабочих газов, поступающих в котел, от их температуры (параметра х), кДж/м3; Iух (у) - функция энтальпии уходящих газов за котлом-утилизатором от их
температуры (параметра у), кДж/м3; q\ - удельные тепловые потери котла-утилизатора от подводимого тепла рабочих газов G ■ Igaz, здесь G - расход рабочих газов через
котел-утилизатор, м3/с.
По приведенной функциональной зависимости (1) в математическом пакете MathCAD построено числовое поле множества значений коэффициента полезного использования первичных ресурсов котла-утилизатора (рис. 1) (расчет был проведен под основные технические параметры котла П-88). Удельные тепловые потери котла qi при построении числового поля принимались равными 1%. Результаты математического расчета в MathCAD показали, что средний тепловой КПД котельного агрегата при температуре уходящих газов порядка 130-140 0С и температуре газов за турбиной, равной 510-520 0С, составляет 74-75% (точка А на рис. 1). При более глубоком охлаждении рабочих газов (до 100 0С) показатель эффективности котла-утилизатора может быть повышен до 81-83%. Исключение отбора пара на продувку барабана котла повышает показатель примерно на 0,7%.
А У, °С
ISO -- __
480 500 520 540 560
Рис. 1. Числовое поле значений коэффициента полезного использования первичных ресурсов (теплоты уходяшдх газов ГТУ) котла-утилизатора
При математическом исследовании эффективности системы ПГУ с котлом-утилизатором коэффициент полезного использования теплоты рабочих газов, подаваемых в котел, имеет значение только при его выражении через первичные ресурсы, подаваемые на сжигание в газотурбинную установку. Только в таком случае может быть рассмотрена функциональная зависимость показателя эффективности всей парогазовой установки с котлом-утилизатором. Следовательно зависимость /(х, у) должна быть дополнена долей теплоты уходящих газов ГТУ от теплоты, выделяемой в камере сгорания за счет сжигания природного газа, являющегося первичным ресурсом
Ч( X У) = /(x, У)'
(2)
для всей энергетической системы в целом. Тогда функция коэффициента полезного использования первичных ресурсов ПГУ котла-утилизатора может быть записана следующим образом:
^ Оку _ Окс
где Окс - количество теплоты, вырабатываемое в камере сгорания; Оку - количество теплоты, поступающее в котел-утилизатор с уходящими газами ГТУ.
Процентное соотношение теплоты рабочих газов ГТУ может быть выражено тремя способами:
1. В большинстве литературных источников [2-4, 6-8] абсолютный электрический КПД ПГУ выражается зависимостью
ПГ =пЭТУ + (1 -пГТУ) •пг1ТГУ-ПКУ •ПЭГ, (3)
ГТУ ПТУ ГТУ
где п , П - эффективный КПД ГТУ и ПТУ; пэ - электрический КПД ГТУ;
ПКУ , ПЭГ - КПД котла-утилизатора и электрогенератора соответственно.
Из приведенной зависимости (3) следует, что на тепло уходящих газов ГТУ приходится доля от сжигаемого топлива, составляющая:
°КУ = 1 -пГТУ. (4)
Окс
2. Теплота сжигаемого топлива в камере сгорания ГТУ идет на выработку (подогрев) рабочих газов турбины энтальпией , тогда доля теплоты уходящих газов
ГТУ от сжигаемого топлива может быть выражена в простой форме:
°КУ=Ъаа^И •пкс, (5)
0КС Igas (Т) кс
где пкс - КПД камеры сгорания ГТУ (у современных ГТУ данный показатель
составляет 96 - 98,5%); (Т), ^^ (Т) - энтальпии рабочих газов до и после газовой
турбины соответственно, как функции от КПД цикла и температуры газов перед турбиной (интервального параметра Т), кДж/кг.
3. В целях отображения зависимости доли теплоты уходящих газов ГТУ от температуры газов за камерой сгорания, соотношение приближенно может быть выражено зависимостью
ОКУ =(о^+1Ка£(Т) (6)
где а - коэффициент избытка воздуха в камере сгорания ГТУ; V - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания единицы топлива, м3/м3; -
энтальпия воздуха за компрессором (определяется заданным коэффициентом повышения давления), кДж/м3.
Данная зависимость учитывает поступление горячего воздуха высокого давления в камеру сгорания ГТУ. Однако зависимость дает результаты, близкие к результатам расчета по (4), лишь в области высоких температур рабочего газа: от
1200 до 1300 0С.
С целью построения наиболее точного числового поля функциональной зависимости (2) прибегнем к закономерности (4), расписав эффективный КПД ГТУ как зависимость от интервального параметра температуры Т [3, 6, 7]:
+ 1) ' (1gas (T) - 1gaz (T ))'Пт пмт
aVIvoz
пГТУ = 0,98--^^, (7)
где Пт, ПмТ, Пк, Пмк - изоэнтропный и механический КПД турбины и компрессора соответственно; 0,98 - поправка на отбор мощности с вала турбины на привод топливного и масляных насосов.
В зависимости (2) функция /(х, у) определяется температурой газов перед котлом-утилизатором х (или за газовой турбиной). Но данный показатель находится в прямой зависимости от эффективности газотурбинной установки и температуры рабочих газов перед турбиной Т [6, 7]:
( \
х = (Т + 273,15)
1 ПТ
1 -пт + —
_т
(8)
где %т - степень понижения давления в турбине;
к -1
т =-,
к
здесь к - показатель адиабаты продуктов сгорания природного газа.
Таким образом, функция / коэффициента полезного использования первичных ресурсов котла-утилизатора (1), работающего в паре с ГТУ, может определяться интервальными параметрами Т и у, т.е. /(Т, у).
На основе вышеизложенного, в математическом пакете МаШСАО построено числовое поле множества значений коэффициента полезного использования первичных ресурсов ПГУ котлом-утилизатором по функциональной зависимости д(Т, у). Числовое поле показано на рис. 2. Сравнение двух точек А и В на приведенном поле указывает на снижение данного коэффициента при повышении температуры рабочих газов за камерой сгорания ГТУ. Объясняется данное явление тем, что выражение температуры газов за турбиной по зависимости (8) приводит к более быстрому снижению значения выражения д(Т, у) с поправкой (4), чем к повышению значения функции / (Т, у).
Показатель эффективности энергетического источника на смешанном цикле генерации электроэнергии (ГТУ и КУ с паровой турбиной) представляет собой сумму показателей эффективности газотурбинной и паротурбинной составляющих системы. Коэффициент полезного использования современной ГТУ лежит в пределах 34 - 36%. По рис. 2 при температуре рабочих газов ГТУ 1220 0С и температуре уходящих газов за КУ 110 0С (точка А) показатель полезного использования топлива ПГУ котлом-утилизатором составит примерно 47%. Показатель эффективности паротурбинного цикла лежит в интервале от 30 до 40% с учетом КПД паровой турбины и электрогенератора. Тогда, общий электрический КПД ПГУ будет составлять:
(34 36) + 47' (0,3 0,4)« 48 55%, что соответствуем всем современным ПГУ в энергетике и России, и мира [3-7].
Рис. 2. Числовое поле значений коэффициента полезного использования первичных ресурсов
ПГУ котлом-утилизатором
С целью сравнения на рис. 3 показаны графики изменения показателя д котла-утилизатора в зависимости от интервального показателя Т при постоянной температуре уходящих газов за котлом-утилизатором (110 0С), построенные по зависимости (2) при выражении доли теплоты уходящих газов ГТУ по трем приведенным зависимостям (4),
(5), (6).
Рис. 3. Графики изменения коэффициента полезного использования первичных ресурсов ПГУ котла-утилизатора: результаты расчетов при использовании зависимостей: 1- (4); 2 -(5); 3 -(6)
На рис. 4 приведены графики изменения коэффициента полезного использования топлива ПГУ (природного газа) котла-утилизатора для различных температур уходящих газов за котлом - как результативный показатель числового множества функции д(Т, у), строимого при четко заданных температурах рабочих газов до (Т) и
после (у) газовой турбины. На горизонтальной оси плоскости отложены значения температур уходящих газов ГТУ, по вертикальной оси - значения показателя д.
у, °С -к
•п
"Су
т ю -г —I
Ю >(<
Ч! не; 'Су —I "С) 1С(
'Су
■о гч
1Су 1С)
•г, УО •с I
Рис. 4. Графики изменения коэффициента полезного использования первичных ресурсов ПГУ котла-утилизатора при различных температурах рабочих газов ГТУ и уходяшцх газов котла: Область значений показателя д, соответствующая температуре рабочих газов перед турбиной, 0С: 1 - 1150; 2 -1200; 3 - 1250; 4 -1300. Линия значений показателя д при температуре уходящих газов за котлом, 0С: а - 120; Ь -110; с -100
Преимущество энергетического источника на базе парогазотурбинного цикла при энергообеспечении промышленности заключается в наличии котла-утилизатора в технологической цепочке генерации энергии, допускающего возможность дополнительной подачи топлива на сжигание непосредственно в паровом котле с целью увеличения генерируемой мощности системы в целом. В качестве топлива, подаваемого на дожигание, могут быть использованы и вторичные энергоресурсы (ВЭР) промышленного предприятия.
В черной металлургии затраты в себестоимости продукции на приобретение основных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) достигают 30-35%. Рост производства и динамичное изменение конъюнктуры мировых рынков в высшей степени актуализируют проблему экономии электроэнергии [9]. Данная ситуация указывает на актуальность рассмотрения возможности утилизации ВЭР металлургической промышленности в системах энергообеспечения на базе ПГУ с котлом-утилизатором.
Решение такого вопроса говорит о необходимости анализа эффективности котла-утилизатора, работающего в составе ПГУ, при дожигании в топке горючих ВЭР металлургии. Функциональная зависимость данного показателя может быть выражена следующим образом [2, 7, 10, 11]:
/ (х, у) = 1 - 0,025 •
(I -1 Л
-'кии -'ив У 1пар — 1пв
- 0,015 -
[к+1) • х + ^ • уу ¿ух (х, у) + 0,01у • ЙВЭР - у • \
У0ВЭР +(а¥ +1) х • I
(9)
ёаг
где х, у - интервальные показатели системы: подача природного газа на сжигание в ГТУ и горючих ВЭР на дожигание в котел-утилизатор соответственно; - объем
продуктов сгорания 1м3 горючих ВЭР; /уХ( х, у) - энтальпия уходящих газов за котлом-
утилизатором, определяемая, как функция интервалов подачи обоих топлив; 0ВЭР -
теплота сгорания горючих ВЭР; - энтальпия газа ВЭР, подаваемого на дожигание
в котел; 0,01 - коэффициент, учитывающий тепловые потери котла-утилизатора при химическом недожоге утилизируемых горючих ВЭР; 0,015 - поправка, учитывающая тепловые потери котла через внешние ограждения; 0,025 - коэффициент, учитывающий отбор пара (2,5%) на продувку барабана.
По зависимости (9) построено числовое поле множества значений коэффициента полезного использования первичных ресурсов котла-утилизатора в составе ПГУ при дожигании в котле доменного газа. Результаты показаны на рис. 5. м3/с
25 —
4 6 Н 10
Рис. 5. Числовое поле множества значений коэффициента полезного использования первичных ресурсов котла-утилизатора в составе ПГУ при дополнительном дожигании доменного газа, построенное по функциональной зависимости (9)
Для сравнения, на рис. 6 показано числовое поле аналогичного показателя котла-утилизатора, построенное по измененной функциональной зависимости вида:
/ (х, у) = 1 - 0,025
(I -1 Л
-'кип -'ив У 1пар — 1пв
- 0,015 -
[К +1 ■х + ■уу /ух(х у) + 0,01 у ■ 6вэр - у■ /
УОВЭР + (1 -ПГТУ )' ха
(10)
] I г. м3/с
л , м3/с —►
4
6
8
10
Рис. 6. Числовое поле множества значений коэффициента полезного использования первичных ресурсов котла-утилизатора в составе ПГУ при дополнительном дожигании доменного газа, построенное по функциональной зависимости (10)
В знаменателе зависимости (10) иным образом задана доля теплоты, поступающей с газовой турбины, от расхода основного топлива (г) согласно выражению (3).
Из рис. 5-6 видно, что при высоком соотношении подач у/г показатель полезного использования котла-утилизатора близок к показателям большинства паровых котлов - около 85% (точка А на рис. 5 и рис. 6). При возрастании же доли теплоты (от точки В к точке С), вносимой в топку котла уходящими газами ГТУ (при увеличении подачи г), показатель эффективности котла-утилизатора снижается до 76% при расчете через теплосодержание уходящих газов за ГТУ (рис. 5) и до 72% при расчете через эффективный КПД ГТУ (рис. 6). При построении числовых полей на рис. 5 - 6 температура уходящих газов за котлом-утилизатором принималась равной 140 0С - как наиболее близкая к температуре уходящих газов паровых котлов на традиционном топливе. При перерасчете коэффициента полезного использования первичных ресурсов котла-утилизатора под температуру уходящих газов 100-110 0С, числовые значения при высокой подаче топлива на ГТУ близки к результатам зависимости (1) (порядка 80-83%). Результаты расчетов по зависимостям (9) и (10) в области высокой доли уходящих газов ГТУ (нижняя правая область числового поля: точка С на рис. 5 и рис. 6) различаются менее, чем на 2%.
1. Произведены расчеты показателя полезного использования первичных ресурсов котла-утилизатора, работающего в составе ПГУ, по результатам которых построено числовое поле множества значений показателя, четко отображающее границы зависимости от основных параметров ПГУ - температур рабочих газов.
2. Представлены три основные зависимости расчета коэффициента полезного использования первичных энергоресурсов ПГУ (природного газа) для котла-утилизатора и произведено сравнение числовых результатов (рис. 3 и рис. 4), показавшее наибольшую стабильность показателя при расчете через соотношение массовых энтальпий рабочего газа (по зависимости (4)).
Выводы:
3. Представлены две числовые зависимости (9) и (10) и построены числовые поля (рис. 5 и рис. 6) множества значений коэффициента полезного использования первичных ресурсов котла-утилизатора, работающего в составе ПГУ, при условии дожигания в топке котла горючих ВЭР металлургической промышленности (доменного газа), показавшие изменение показателя эффективности котла-утилизатора в большую сторону при дожигании ВЭР.
4. Сравнение показателей полезного использования первичных ресурсов котла-утилизатора в составе ПГУ без дожигания и с дожиганием горючих ВЭР указывает на наибольшую сходимость результатов при расчете показателя через соотношение энтальпий рабочего газа (по зависимости (5)).
5. Результаты рассмотрения изменения коэффициента полезного использования первичных ресурсов котла-утилизатора в составе ПГУ при дополнительном дожигании ВЭР в котле указывают на актуальность решения вопроса разработки автономной системы энергообеспечения электросталеплавильного производства, осуществляющей дополнительную утилизацию ВЭР металлургической промышленности.
6. Проведенные математические расчеты направлены на нахождение возможных путей повышения эффективности паротурбинной составляющей ПГУ посредством исследования изменения показателя котла-утилизатора от параметров газотурбинного цикла или дожигания в котле дополнительного топлива.
Summary
The functional dependence of the beneficial use of primary energy recovery boiler operating within the SGTU, taking into account the characteristic parameters of the gas turbine cycle has been developed. A comparison of the indicator of the recovery boiler the temperature of the gas before the gas turbine, after gas turbine and a heat recovery boiler has been made. The possibility of post-combustion in the recovery boiler fuel and SER has been dwelled upon as well as the dependence of the efficiency of the use of primary resources from the waste heat boiler feed SER on afterburning has been derived.
Keywords: gas turbine unit, gas and steam turbine unit, boiler, primary energy resources, secondary energy resources.
Литература
1. Бушуев А.Н. Энергетический баланс технического комплекса «Система энергообеспечения - электросталеплавильное производство» как показатель резерва энергосбережения электрометаллургии // V Международная научно-практическая конференция «Научное творчество XXI века»: Сб. статей. Т.3. Красноярск, 2012.
2. Бойко Е.А., Баженов К.В., Грачев П.А. Тепловые электрические станции (паротурбинные энергетические установки ТЭС): справочное пособие. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. 152с.
3. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: учеб. пособие для вузов. М.: Издательство МЭИ, 2002. 584с.
4. Мошкарин А.В., Шелыгин Б.Л., Жамлиханов Т.А. Влияние определяющих факторов на изменение мощности ПГУ-325 // Вестник ИГЭУ. 2010. №4. С.13-15.
5. Бушуев А.Н. Расширение Орской ТЭЦ-1 с установкой парогазового блока мощностью 230 МВт // В мире научных открытий. 2010. №4(10). С.122-123.
6. Арсеньев Л.В., Тырышкин В.Г. Комбинированные установки с газовыми турбинами. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. 247с.
7. Трухний А.Д., Петрунин С.В. Расчет тепловых схем парогазовых установок утилизационного типа: Методическое пособие по курсу «Энергетические установки». М.: Издательство МЭИ, 2001. 24с.
8. Александров А.А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. М.: Издательство МЭИ, 2004. 159с.
9. Новиков С. С. Методика оперативного планирования и управления электропотреблением крупнотоннажных электросталеплавильных печей при работе на оптовом рынке электроэнергии: Авторефер. дис. ... канд. тех. наук. М., 2008. 18 с.
10. Скляров Д.В., Лошкарев В.А. Дожигание топлива в котлах-утилизаторах ПГУ // V международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика": тез. докл. М., 1999.
11. Бушуев А.Н. Эффективность энергоснабжения электросталеплавильного производства энергетическим источником на базе паротурбинного цикла // Молодой ученый. 2012. №7(42). С.16-20.
Поступила в редакцию 09 октября 2012 г.
Бушуев Антон Николаевич - преподаватель кафедры теплоэнергетики и теплотехники Орского гуманитарно-технологического института (филиал) Оренбургского государственного университета. Тел. 8 (922) 6282581; 8 (3537) 25-26-29; 8 (3537) 23-81-98. E-mail: [email protected].
