CC BY
33
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
УДК 621,165
ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК СУПЕРСВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Б.Ф. Калугин, A.C. Матвеев Томский политехнический университет, г. Томск E-mail: matveev@ped.tpii.ru
Современное развитие тепловых электрических станций характеризуется всемерным внедрением новых более совершенных технологий: парогазовых установок (ПТУ), суперсверхкритических параметров пара, топок с циркулирующим кипящим слоем, стремлением внедрить в цикл станции газификацию твердого топлива, совершенствованием тепловых схем, оборудования и других.
На ближайший период ставится задача внедрения ПГУ (к.п.д. их может быть выше 50 процентов) и внедрения суперсверхкритических параметров пара, к.п.д. станций при этом достигает 46 - 47, а в перспективе к 2010 году в странах Европы рассчитывают получить 52 - 55 процентов. В установках обоих типов широкое применение находят турбинные экономайзеры [1], [2], которые при применении суперсверхкритических и закритических параметров пара расположены в газоходах котлов и используются для подогрева потока основного конденсата или питательной воды турбинной установки. В турбинном экономайзере нагревается часть воды, которая идет в обвод какого-либо подогревателя. Затем эта часть воды соединяется с потоком, идущим через подогреватель. Таким образом, пара в отбор турбины идет меньше; та часть его, которая прекратила поступать в подогреватель, будет работать дальше в турбине, вырабатывая дополнительную мощность. При этом удается значительно снизить температуру уходящих газов и повысить к.п.д. котла. Но турбинные экономайзеры снижают эффективность регенеративного подогрева питательной воды, что проявляется на абсолютном внутреннем к.п.д. турбинной установки. В конечном итоге к.п.д. блока повышается из-за повышения к.п.д. котла.
Были проведены исследования по надстройке блока К-210-12.75 предвюпоченной турбиной на суперсверхкритические параметры пара [5], [6], [7]. Эти исследования доказали эффективность надстройки и включения в тепловую схему такого блока турбинных экономайзеров. К.П.Д. надстроенного и модернизированного блока возрос на 10,985 процента. Дальнейшие исследования по включению турбинных экономайзеров потребовали оптимизации нагрева воды в подогревателе, к которому подключен турбинный экономайзер.
Начальным этапом данного исследования явилось распределение нагревов подогрева питательной воды по подогревателям, на примере турбоустановки К-210-12,75. Тепловая схема турбоустановки была идеализирована: все поверхностные подогреватели заменены на подогреватели смешивающего типа (рис.1). Перекачивающие, конденсатные, питательный насосы условно не показаны.
Разбивка нагревов воды по ступеням проводилась согласно методике, изложенной в [3] и [4]. Процесс расширения пара в турбине строился с использованием относительных внутренних к.п.д. цилиндров реальной турбины. В результате этих расчетов были
определены оптимальные нагревы в подогревателях, энтальпии воды за каждым подогревателем, давления в подогревателях и в отборах.
На основании полученных данных была рассчитана схема такого идеального блока. Абсолютный внутренний к.п.д. турбоустановки получился равным 40,8806 процента.
Следующим этапом исследований явилось определение оптимального нагрева воды в подогревателе смешивающего типа при включении турбинного экономайзера параллельно этому подогревателю (рис. 1). Расчет проводился следующим образом. Нагрев в подогревателе, а, следовательно, и в турбинном экономайзере, принимался в интервале от 60 до 200 кДж/кг. Нагревы в остальных подогревателях оставались неизменными, за исключением вышестоящего подогревателя. То есть любое изменение нагрева в рассматриваемом подогревателе компенсировал вышестоящий подогреватель. Определялась энтальпия за рассматриваемым подогревателем, давление в нем, давление в отборе турбины. Мощность турбинного экономайзера во всех вариантах была постоянна -5000 кВт. По этим данным рассчитывалась схема турбоустановки, определялся абсолютный внутренний к.п.д. турбоустановки щ строились графики зависимости этого к.п.д. от нагрева в подогревателях (рис.2). По максимальному к.п.д. определялся оптимальный нагрев. Значения оптимальных нагревов в подогревателях и соответствующие им максимальные значения к.п.д турбоустановки приведены в таблице 1. Здесь и далее речь идет об абсолютном внутреннем к.п.д. турбоустановки.
Таблица'
Подогреватель ПЗ П4 П5 П7
Нагрев, определенный по традиционной методике, кДж/кг 132,6 130,2 128 123,5
Оптимальный нагрев в подогревателе, кДж/кг 162 147 149 145
т\1 при оптимальном нагреве, % 40,7756 40,7054 40,6429 40,5201
турбинным экономайзером, который включен параллельно подогревателю.
Результаты проделанных вычислений показывают, что при включении турбинного экономайзера параллельно подогревателю оптимальный нагрев в этом подогревателе не может быть найден по методике, приведенной в [3,4].
Нагрев, кДж/кг
Рис.2. Зависимость к.п.д. идеальной турбоустановки /7, от нагрева в подогревателях при включении турбинного экономайзера параллельно различным подогревателям. Мощность турбинного экономайзера принималась равной 5000 кВт.
После этого были проведены расчеты для определения влияния мощности турбинного экономайзера на оптимальный нагрев воды в подогревателе. Так как наилучшие результаты дает включение турбинного экономайзера параллельно третьему подогревателю, то влияние мощности турбинного экономайзера на оптимальный нагрев воды исследовалось именно на этом подогревателе. На рисунке 3 представлены кривые, построенные при оптимизации величины нагрева воды в третьем подогревателе.
кпд
Нагрев, кДж/кг
Рис.3. Зависимость 77, турбоустановки от нагрева в третьем подогревателе при включении параллельно ему турбинного экономайзера с различными мощностями.
На рис.4 приведены графики, наглядно демонстрирующие повышенные значения к.п.д. 77,, рассчитанные при оптимальном нагреве в подогревателе (линия 1), по сравнению с к.п.д. турбоустановки при разбивке нагревов по методике [3,4] (линия 2). Следует подчеркнуть, что в обоих видах схем турбинный экономайзер включался в обвод третьего подогревателя.
0,4088 0,4086 0,4084 0,4082 0,408 0,4078 0,4076 0,4074 0,4072 0,407 0,4068
КПД
л
1000 2000 3000 4000 5000 6000
Мощность турбинного экономайзера, кВт
7000
8000
Рис. 4. Зависимость 77,- турбоустановки от мощности турбинного экономайзера, включенного параллельно ПЗ.
1- щ при оптимальных значениях нагрева в ПЗ;
2- 77/ при нагреве воды в ПЗ, рассчитанном по методике [3,4].
Получена формула работы одного килограмма пара, с учетом ухода части его в отборы, на участке двух отсеков турбины, расположенных перед и за отбором того смешивающего регенеративного подогревателя, который включен по потоку основного конденсата параллельно с турбинным экономайзером. Например (см. рис. 1) отсеки между отборами 4, 6.
у
+
Л"2 а Л
ТТ ч
' 1-2
тт Я к 1 я + г,
Я,
м
ъ......1 „ я,
+
+
Ятуэо
д,+(М-т{) с/,. + г, г/,. + г,.
х(/гг-/г1+!) ,
где
г - номер отбора, подогреватель которого обводится через турбинный экономайзер, начало нумерации отборов с головы турбины; П - знак произведения;
q - /г - Ь'- количество тепла, отдаваемое паром отбора при конденсации (Ь - энтальпия
пара отбора, И' - энтальпия насыщенной воды, при давлении в подогревателе, подключенном к рассматриваемому отбору);
т - нагрев в подогревателе, равный разнице энтальпий питательной воды (потока основного конденсата) на выходе из рассматриваемого подогревателя и на входе в него;
М = V. ~кх
Л —
Чтуэо ~ г - удельная тепловая нагрузка турбинного экономайзера.
Отуэ, кВт - тепловая мощность турбинного экономайзера, во, кг/с - расход пара на турбину.
Исследование этой формулы на максимум дает совпадение с расчетами всей схемы по определению наивыгоднейшей величины нагрева воды в ¡-ом подогревателе, работающем параллельно с турбинным экономайзером. Эта формула дает хорошее совпадение, когда через ТУЭ обводится подогреватель, подключенный к одному из отборов ЦСД, за исключением случая подключения к отбору, расположенному сразу после промперегрева (3 отбор на рис. 1).
Следующим этапом исследований явился расчет схемы реальной турбоустановки К-210-12,75 с регенеративными подогревателями поверхностного типа. Причем в рассматриваемом случае турбинный экономайзер включался параллельно третьему подогревателю высокого давления. То есть, целью данного этапа исследования являлось определение оптимального нагрева в третьем ПВД, а соответственно и давления в третьем отборе турбины.
Тепловая мощность третьего ПВД, до включения турбинного экономайзера параллельно ему, составляла 8100 кВт. В рассматриваемом варианте мощность турбинного экономайзера была принята равной 8000 кВт. То есть подогреватель практически полностью обводился по питательной воде. Результаты данного расчета представлены на рис. 5.
12,7 12,8 12,9 13 13,1 13,2 13,3
Давление в отборе, бар
Рис. 5. Зависимость т/, реальной турбоустановки К-210-12,75 от давления в третьем отборе при включении турбинного экономайзера параллельно третьему
подогревателю ПЗ.
Оптимальное давление, соответствующее максимальному к.п.д. щ составило 12,96 бар, тогда как у турбоустановки К-210-12,75 это давление равно 11,45 бар. То есть при
оптимальном нагреве в обводимом третьем подогревателе, давление в отборе данного подогревателя должно быть выше, чем при традиционном способе распределения величин нагрева воды в подогревателях.
Установлено, что наибольший эффект наблюдается, когда обводимый подогреватель подключен к отбору, находящемуся сразу за промежуточным пароперегревателем: прирост абсолютного внутреннего к.п.д. составляет 0,02 - 0,072 процентов (относительных), в зависимости от тепловой мощности турбинного экономайзера.
Выводы
1. Доказано, что величина нагрева питательной воды (потока основного конденсата) в регенеративном подогревателе, обводимом частью воды через турбинный экономайзер (вода нагревается в последнем), должна быть больше величины нагрева, определенной для этого подогревателя по традиционным методикам, рекомендуемым в литературе по тепловым электростанциям при отсутствии турбинного экономайзера, а также определенной по заводской разбивке.
2. Выявлено, что на величину нагрева воды в подогревателе влияет место расположения подогревателя и мощность турбинного экономайзера, включенного параллельно этому подогревателю.
3. Материал представляет интерес для турбостроительных, котлостроительных заводов, для исследовательских и проектных организаций.
Литература:
1. Некоторые пути совершенствования котла и энергоблока на суперсверхкритические параметры пара/ А.У. Липец, С.Н. Кузнецова, JI.B. Дирина и др. // Теплоэнергетика, 1998, №6.
2. Дополнительная мощность, получаемая при переводе энергоблоков на схему БПЭ/ В.Г. Овчар, А.У. Липец, С.Н. Кузнецова, Л.В. Дирина // Теплоэнергетика, 1999, № 9.
3. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции: Учебник для вузов / Под ред. В.Я. Гиршфельда.-З-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1987.
4. Тепловые и атомные электрические станции: Учебник для вузов / Л.С. Стерман, С.А. Тевлин, А.Т. Шарков; Под ред. Л.С. Стермана. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоиздат, 1982.
5. Калугин Б.Ф., Матвеев A.C. Пути повышения эффективности надстройки блока К-210-12,75.// Материалы шестой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность», т. 1. - Томск: Изд-во ТПУ, 2000.
6. Калугин Б.Ф., Матвеев A.C. Применение турбопривода у питательного насоса при надстройке блока К-210-12,75/ Деп. в ВИНИТИ, Том. политехи, ун-т. - Томск, 2000.
7. Калугин Б.Ф., Матвеев A.C. Оценка эффективности некоторых способов повышения к.п.д. при надстройке блока К-210-12,75/ Деп. в ВИНИТИ, Том. политехи, ун-т. -Томск, 2000.
