Разработка технических предложений по созданию ПГУ-ТЭС мощностью 750 МВт с котлом-утилизатором сверхкритического давления Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.311:621.438

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО СОЗДАНИЮ ПГУ-ТЭС МОЩНОСТЬЮ 750 МВт С КОТЛОМ-УТИЛИЗАТОРОМ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

А.С. АЛЕШИНА, В.М. БОРОВКОВ

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Рассмотрена трехконтурная схема парогазовой установки. Показано, что применение такой схемы способствует увеличению КПД ТЭС до 58,6 %.

Ключевые слова: парогазовая установка, принципиальная тепловая схема, термодинамическая эффективность.

В настоящее время перед мировой теплоэнергетикой стоят две основные задачи. Во-первых, это поиск новых источников энергии, а во-вторых, обеспечение экономии органического топлива, энергетических ресурсов при одновременном решении экологических проблем и исполнении требований энергосистем, предъявляемых к работе энергоустановок.

Стратегия развития теплоэнергетики России базируется на ускоренном строительстве парогазовых установок (ПГУ), что связано с достаточно высокими значениями термического КПД этих установок и относительно небольшим сроком ввода их в эксплуатацию. В условиях массового старения оборудования тепловых электростанций последнее обстоятельство становится определяющим при оценке ближайших перспектив развития отечественной теплоэнергетики.

В связи с этим в статье рассматривается проблема повышения эффективности ПГУ за счет применения трехконтурной схемы котла-утилизатора (КУ).

Для расчета предложена схема парогазовой установки мощностью 750 МВт (ПГУ-750), в состав которой входит следующее основное оборудование:

- газотурбинная установка (ГТУ) ГТУ9С производства General Electric (США);

- паротурбинная установка (ПТУ) Т-250-240 АО УТМЗ;

- деаэратор повышенного давления на 0,7 МПа;

- проектируемый котел-утилизатор 3-х давлений.

Схема ПГУ-750 является дубль-блоком, т.к. содержит две ГТУ и два КУ, работающих на одну ПТУ. На рис. 1 показана принципиальная тепловая схема парогазовой установки с одним блоком. Второй блок включается параллельно.

Работа установки осуществляется следующим образом.

Воздух из атмосферы через комплектное воздухоочистительное устройство (КВОУ) подается в компрессор (К), где сжимается (степень сжатия пк = 23), и затем - в камеру сгорания (КС) газотурбинного агрегата (ГТА), куда одновременно поступает топливо (природный газ или дизельное топливо). Образующиеся продукты сгорания направляются в газовую турбину (ГТ), где, расширяясь, производят работу, используемую для привода компрессора и электрического генератора (ЭГ).

После ГТА газы поступают в котел-утилизатор и отдают свое тепловую энергию в последовательно расположенных по ходу газов поверхностях нагрева котла-утилизатора: генераторе-пароперегревателе высокого давления (ГППВД) и промежуточном пароперегревателе (ППП), находящихся в одном сечении КУ; пароперегревателе среднего давления (ППСД); испарителе среднего давления (ИСД); пароперегревателе низкого давления (ППНД); совмещенном экономайзере

© А. С. Алешина, В.М. Боровков

Проблемы энергетики, 2009, № 1-2

среднего и высокого (1-я ступень) давлений; испарителе низкого давления (ИНД) и газо-водяном подогревателе топлива (ГПК). В котле-утилизаторе газы охлаждаются до 105,9 °С и выбрасываются в дымовую трубу. За каждым котлом установлен отключающий клапан, который закрывает при останове ГТ и КУ в горячий резерв.

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема ПГУ-750: ЭГ - электрогенератор; КВОУ - комплектное воздухоочистительное устройство; К - компрессор; КС - камера сгорания; ГТ - газовая турбина; КУ

- котел-утилизатор; ГППВД - генератор-пароперегреватель высокого давления; ППП -промежуточный пароперегреватель; ППСД - пароперегреватель СД; ИСД - испаритель СД; ППНД

- пароперегреватель НД; ЭкВД1+ЭкСД - совмещенный экономайзер высокого (1-я ступень) и среднего давления; ИНД - испаритель НД; ГПК - газовый подогреватель конденсата; БСД БНД -барабан, соответственно, среднего и низкого давления; ПНВД, ПНСД, ПННД - питательный насос, соответственно, ВД СД и НД; Д - деаэратор; ПТ - паровая турбина: ЦВД ЦСД МИД - цилиндры

ВД СД и НД; К-р - конденсатор; КН - конденсатный насос; ОУ - охладитель уплотнений

Наиболее сложную часть тепловой схемы ПГУ имеет котел-утилизатор, в котором первый контур (контур высокого давления) организован по принципу прямотока, а второй и третий (соответственно среднего и низкого давления) -барабанные.

Конструкция КУ вертикальная. Пар, генерируемый в КУ, по отдельным паропроводам подается в паровую турбину (ПТ).

Паротурбинная установка (ПТУ) состоит из паровой турбины трех давлений; конденсатора (К-р), который охлаждается циркуляционной водой из градирни, и встроенным пучком, охлаждаемым подпиточной водой теплосети; конденсатора пара уплотнений [1].

Конденсат пара после конденсатора, а также конденсат из бака запаса конденсата проходят через блочную обессоливающую установку (на схеме не показана), предназначенную для очистки от продуктов коррозии и солей жесткости с целью обеспечения требуемого качества питательной воды перед котлами-утилизаторами.

Подогрев воды перед деаэрацией происходит в газовом подогревателе конденсата (ГПК). В деаэраторе удаляются растворенные газы из всего потока основного конденсата; подогрев воды до температуры насыщения производят паром, отбираемым из БНД.

Питательная вода из деаэратора (Д), работающего при давлении 0,7 МПа, питательными насосами низкого давления (ПННД) подается непосредственно в барабан низкого давления, а питательными насосами среднего давления (ПНСД) -в экономайзер среднего давления (ЭкСД), совмещенный с первой ступенью экономайзера высокого давления (ЭкВД1). Вода, поступающая в барабан низкого давления, затем испаряется в испарителе низкого давления, а полученный пар перегревается и направляется в цилиндр низкого давления (ЦНД) паровой турбины, где смешивается с отработанным паром цилиндра среднего давления (ЦСД). Часть выработанного в контуре низкого давления пара до поступления в турбину отбирается в деаэратор для осуществления деаэрации конденсата. Нагретая в первой ступени экономайзера высокого давления питательная вода, подается питательным насосом высокого давления (ПНВД) в генератор-пароперегреватель высокого давления (ГППВД). Пар, полученный в контуре высокого давления, направляется в цилиндр высокого давления (ЦВД) паровой турбины. После ЦВД ПТ осуществляется промежуточный перегрев пара, одновременно с которым в том же теплообменнике происходит дополнительный перегрев пара среднего давления. Оба барабана котла оснащены аварийными сливами в случае повышения уровня воды выше заданного. Кроме того, из барабанов среднего и низкого давления предусмотрена периодическая продувка, которая выполняется путем ступенчатого слива продувочной воды из БСД в БНД, а из БНД в расширитель.

Следует отметить следующие особенности данной компоновки поверхностей КУ: экономайзеры высокого и среднего давлений объединены в одну поверхность нагрева котла-утилизатора (так называемая совмещенная компоновка); ГППВД и промежуточный пароперегреватель расположены в одном сечении котла-утилизатора.

В представленной установке используется паровая турбина Т-250-240, но с небольшими изменениями: второй и третий паровпуск осуществляются соответственно от второго и третьего контура КУ.

Газотурбинная установка ГТУ9С выполнена по одновальной схеме и в составе ПГУ-750 имеет показатели, представленные в таблице [2].

Таблица

Показатели газотурбинной установки ГТУ9С

Показатель Температура наружного воздуха 288 К (+15 °С)

Начальная температура газов, °С 1430

Мощность на зажимах генератора, МВт 282

КПД ГТУ, % 39,5

Расход топлива, кг/с 14,263

Расход газов после ГТУ, кг/с 700

Температура газов после ГТУ, °С 583

Коэффициент избытка воздуха в газах после ГТУ 2,58

В состав контура ВД входят экономайзер (1-я ступень) и генератор-пароперегреватель (ГППВД), где генерируется и перегревается пар. В состав контура СД входят экономайзер, испаритель и пароперегреватель, а в состав контура НД - испаритель и пароперегреватель. Особенность схемы состоит в том,

что первая ступень экономайзера высокого давления (ЭкВД1) совмещена с экономайзером среднего давления (ЭкСД).

Максимальная термодинамическая эффективность ПГУ определяется глубиной охлаждения выхлопных газов ГТУ и максимально возможными параметрами пара, вырабатываемого в контурах котла-утилизатора [2].

В котле-утилизаторе генерируется пар трех уровней давления, а именно: уровень высокого давления - давление пара 23,54 МПа и температура 540 °С; уровень среднего давления - 5,6 МПа, 320 °С; уровень низкого давления -1,1 МПа, 271 °С.

Паропроизводительность одного КУ по контуру высокого давления составляет на номинальном режиме 68,01 кг/с; по контуру среднего давления -22,37 кг/с; по контуру низкого давления - 12,03 кг/с.

Расчет тепловой схемы КУ производился при известных параметрах продуктов сгорания газовой турбины, поступающих в его входное сечение (расход, температура и коэффициент избытка воздуха). Наличие этих параметров позволяет определить количество теплоты, подведенной в котел.

Для проведения исследований применены расчетные методики, основанные на уравнениях теплового баланса, уравнениях теплопередачи и тепломассопереноса. Следует отметить, что предварительно были заданы минимальные температурные напоры в испарителях, в выходных сечениях экономайзеров и пароперегревателей, а также в ГПК.

По результатам расчетов построена Q, Г-диаграмма теплообмена между выходными газами ГТУ и пароводяным рабочим телом, представленная на рис. 2.

Рис. 2. Q, Г-диаграмма теплообмена в трехконтурном котле-утилизаторе ПГУ

По оси абсцисс (ось х) откладывается значение тепловой мощности поверхности КУ, по оси ординат (ось - температуры газов и теплоносителя пароводяного тракта.

КУ - участок, соответствующий изменению температуры газов при их последовательном прохождении поверхностей нагрева котла-утилизатора.

Каждый контур циркуляции пароводяного теплоносителя котла-утилизатора объединяет в себе несколько участков диаграммы. Так, изменение температуры пароводяного теплоносителя в контуре высокого давления

представлено участками ГППВД и ЭкВД1. К контуру среднего давления относятся участки: ППСД, ИСД и ЭкСД. К контуру низкого давления - ППНД и ИНД. Также на диаграмме показаны промперегрев пара (ППП) и газовый подогреватель конденсата (ГПК).

Особенностью котлов-утилизаторов со сверхкритическими параметрами пара является то, что температура теплоносителя в пароперегревателе высокого давления меняется не по линейному закону, как это происходит в пароперегревателях среднего и низкого давлений (рис. 2).

Термодинамический цикл Брайтона-Ренкина разрабатываемой парогазовой установки с котлом-утилизатором изображен на рис. 3.

Рис. 3. Термодинамический цикл Брайтона-Ренкина парогазовой установки с КУ: Q1 - теплота сжигаемого в газотурбинной установке топлива; Q1 - теплота выходных газов ГТУ; Q2 - тепловые потери цикла; Тн в - температура наружного воздуха

Выводы

В результате расчетов было получено, что указанная схема с применением турбины трех давлений позволяет повысить КПД цикла до 58,6 %.

Показано, что можно использовать паровую турбину, аналогичную Т-250-240 с небольшими изменениями, организуя второй и третий паровпуск соответственно от второго и третьего контура котла-утилизатора. Представленная трехконтурная схема совместно с паротурбинной установкой не создает каких-либо дополнительных трудностей со стороны паротурбинной части. Однако следует отметить: представленная схема, по сравнению с двухконтурным циклом, более сложная в исполнении и металлоемкая. Вследствие того, что третий контур исследуемой ПГУ прямоточный, то должны быть повышены требования к качеству циркулируемой в цикле воды.

Трехконтурная схема совместно с паротурбинной установкой дает существенное повышение термического КПД в конденсационном режиме.

Результаты исследований могут быть использованы проектными организациями при выполнении проектов ПГУ большой мощности: 1000 и 1500 МВт.

Summary

Considered three-cycle scheme steam plant. It has been shown that the use of such a scheme increases the efficiency of thermal power plant to 58,6 %.

Литература

1. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. М.: Энергоатомиздат,

1987.

2. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учеб. пособие для ВУЗов / Под. ред. С.В. Цанева. М.: Издательство МЭИ, 2002.

3. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства воздуха и продуктов сгорания топлива: справочник. М.: Энергоатомиздат, 1984.

4. Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: Энергия, 1984.

Поступила в редакцию 21 октября 2008 г.

Алешина Алена Сергеевна - инженер кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ). Тел. 8-9046343949. E-mail: saljonka@mail.ru.

Боровков Валерий Михайлович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Промышленная теплоэнергетика» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ). Тел. 8 (812) 592-75-58.