Выбор рационального числа агрегатов на малых ТЭЦ с ГТУ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621.310.025

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО ЧИСЛА АГРЕГАТОВ НА МАЛЫХ ТЭЦ С ГТУ

Ю.Е. НИКОЛАЕВ*, В.Н. ОСИПОВ*, С.В. СИЗОВ**

*Саратовский государственный технический университет **Сызранский филиал Самарского государственного технического университета

Предложен показатель относительной экономии топлива для оценки тепловой экономичности малых ТЭЦ с ГТУ в системе энергоснабжения, учитывающий изменение характеристик энергоагрегатов и график теплопотребления. С использованием данного показателя определено рациональное число работающих ГТУ в отопительный и неотопительный периоды, а также достигаемая при этом экономия топлива.

В соответствии с принятой стратегией развития энергетики в России наметилась тенденция строительства малых ТЭЦ с ГТУ [1, 2]. Такие станции сооружаются на базе реконструкции существующих котельных и при новом строительстве с применением ГТУ отечественных и зарубежных фирм [3]. По сравнению с действующими теплофикационными системами на базе паротурбинных ТЭЦ с физически изношенным оборудованием, они обеспечивают заметную экономию топлива и снижение эксплуатационных затрат.

Применение газотурбинного оборудования для комбинированной выработки электроэнергии и теплоты требует разработки новых подходов к проектированию малых ТЭЦ, отличных от традиционных паротурбинных станций. В этом случае приоритетной является тепловая нагрузка. Выработка электроэнергии на ГТУ без утилизации теплоты уходящих газов существенно снижает эффективность схемы энергоснабжения. Эта особенность оказывает влияние на выбор типоразмера ГТУ, оптимальное количество устанавливаемых агрегатов и режимов их эксплуатации.

В статье рассмотрено влияние указанных факторов на тепловую экономичность систем энергоснабжения с газотурбинными ТЭЦ.

В качестве показателя тепловой экономичности комбинированной системы энергоснабжения примем абсолютную экономию топлива по сравнению с раздельной схемой:

где Втэс, Вкот, Втэц - расходы условного топлива на замещаемой тепловой

электростанции (ТЭС), в котельной и на ТЭЦ, кг у.т./с.

Выражая составляющие (1) через КПД энергоустановок и транспорта энергоносителей, имеем

(1)

© Ю.М. Николаев, В.Н. Осипов, С.В. Сизов Проблемы энергетики, 2005, № 7-8

где Qр - теплота сгорания условного топлива, кДж/кг; Qт - количество

теплоты, отпущенное от ТЭЦ, кВт; лкот, пК°т, ПтсЦ - КПД котельной нетто и тепловых сетей; ^г1у - отпущенная с шин станции электрическая мощность,

кВт; пгту - электрический КПД ГТУ с учетом потерь в ГВП; л™, Лэс - КПД ТЭС и электрических сетей.

Относительную экономию топлива рассчитаем по формуле [4]

__ АП

АВ эк = В + Я • (3)

тэс кот

Подставляя в (3) выражение (2) и расходы топлива на ТЭС и котельной, с учетом преобразований получим

ш 1 - ат

-----+-------

— лгту л

АВ эк = 1--------Л-------------^----------------------------------------------------------------, (4)

ш + птсц

ЛГЧс ЛкотЛТ

N пгтуа

ш = _г^ = Лэ ат , (5)

йт фух (1 - Л^ )

где ат - доля тепловой энергии, отпущенная от газоводяного подогревателя (ГВП) (коэффициент теплофикации); фух = 2гвп/й2 - степень использования

теплоты уходящих газов ГТУ для теплоснабжения; йгвп, й2 - количество теплоты, отводимое в ГВП и цикле ГТУ, кВт.

Анализируя выражение (4), следует отметить, что в условиях

эксплуатации ТЭЦ известными величинами будут Лкот, Лтст , Лтсц, Л™, Лэс. Электрический КПД ГТУ изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха и электрической нагрузки. Поэтому наибольшее влияние на

величину ДВэк будут оказывать коэффициент теплофикации на рассматриваемом режиме и отношение выработки электроэнергии к отпускаемой теплоте ш.

Рассмотрим влияние температуры наружного воздуха, количества устанавливаемых на малой ТЭЦ агрегатов и режимов их использования на примере двух ГТУ НК-14Э и АЛ-31СТЭ [3, 5]. В расчетах принято: лкот =0,93;

Л??т =0,98; птэц =0,95; л™ =0,38; лэс =0,92. Количество устанавливаемых агрегатов варьировалось в пределах от 1 до 4. Присоединенная расчетная тепловая нагрузка в горячей воде - 85 МВт. Результаты расчетов приведены в табл. 1, 2.

Изменение ю и ат от температуры наружного воздуха

и количества установленных ГТУ марки НК-14Э_________________________

Интервалы температур наружного воздуха, °С Количество установленных ГТУ

1 2 3 4

Ю ат Ю ат Ю ат Ю ат

- 27 + - 20 0,11 0,16 0,22 0,28 0,33 0,43 0,44 0,57

- 15 + - 10 0,14 0,20 0,28 0,42 0,42 0,68 0,56 0,76

- 5 + 0 0,19 0,27 0,37 0,53 0,56 0,80 0,74 1,00

0 + + 8 0,24 0,35 0,47 0,69 0,71 1,00 0,94 1,00

+ 20 0,63 1,00 1,26/0,63 1,00 1,89/0,63 1,00 2,52/0,63 1,00

Примечание: числитель - при работе всех установленных ГТУ в неотопительный период; знаменатель - то же при работе одной ГТУ.

Таблица 2

Изменение ю и ат от температуры наружного воздуха и количества установленных ГТУ марки АЛ-31СТЭ_________________________

Интервалы температур наружного воздуха, °С Количество установленных ГТУ

1 2 3 4

Ю ат Ю ат Ю ат Ю ат

- 27 + - 20 0,21 0,23 0,42 0,45 0,62 0,68 0,83 0,91

- 15 + - 10 0,27 0,30 0,53 0,61 0,80 0,91 1,06 1,00

- 5 + 0 0,35 0,42 0,70 0,85 1,05 1,00 1,40 1,00

0 + + 8 0,44 0,55 0,89 1,00 1,30 1,00 1,78 1,00

+ 20 1,30 1,00 2,37/1,30 1,00 3,91/1,30 1,00 4,75/1,30 1,00

Примечание: числитель - при работе всех установленных ГТУ в неотопительный период; знаменатель - то же при работе одной ГТУ.

Из рассмотрения табл. 1, 2 видно, что увеличение температуры наружного воздуха приводит к росту ю, а за счет сокращения теплопотребления и нагрузки пикового котла. Увеличение числа агрегатов и их единичной мощности также обуславливает прирост указанных коэффициентов. При достижении 0^=1 и дальнейшем повышении наружной температуры воздуха, что соответствует уменьшению количества отпускаемой теплоты, работа ГТУ возможна только с частичной утилизацией продуктов сгорания. Влияние температуры наружного воздуха в отопительный период на величину достигаемой относительной экономии топлива показано на рис. 1,2.

0,14------------------------------------------------

I 0.20

X

0

1 0.16

I I £ Й0.12 с -

Р >-

1 0,08

г.ич Г Г I 1 I

-30 -20 -10 0 10

Температура наружного воздуха,°С

■ *

с

2 \

1

Рис.1. Изменение относительной экономии топлива в системе энергоснабжения от температуры наружного воздуха в отопительный период и числа ГТУ (НК-14Э) Цифры на кривых соответствуют числу ГТУ на малой ТЭЦ. В точке а осуществляется включение (отключение) 4 энергоагрегата.

0,34

0,30

0,26

0,22

0.18

0.14

0.10

4 б а

3

2

1 \

Рис.2. Изменение относительной экономии топлива в системе энергоснабжения от температуры наружного воздуха в отопительный период и числа ГТУ (АЛ-31СТЭ). Цифры на кривых соответствуют числу ГТУ на малой ТЭЦ. В точках а и б осуществляется включение (отключение) 3 и 4 энергоагрегатов.

-30

-20

-10

10

Температура наружного воздуха, °С

При установке на малой ТЭЦ 1-2 агрегатов АВэк увеличивается с ростом температуры наружного воздуха, достигая максимума при +2 - +8 °С. С увеличением числа ГТУ до 3-4 максимум АВэк смещается в область отрицательных температур, после которого наблюдается уменьшение экономии топлива.

Это вызвано потерями из-за частичной утилизации продуктов сгорания.

С целью минимизации указанных потерь и увеличения АВэк возможно последовательное отключение агрегатов по мере снижения тепловой нагрузки.

На рис. 1, 2 моменты включения (отключения) агрегатов показаны точками

а и б. В этом случае АВэк для НК-14Э составляет 21,5-22,5 %, для АЛ-31СТЭ - 30,032,0 %.

В неотопительный период влияние числа включенных агрегатов на АВэк показано на рис. 3, 4.

Ко. I и чес I во включенных ГТУ

Рис. 3. Изменение относительной экономии топлива от числа включенных ГТУ (НК-14Э) в неотопительный период

Количество включенных ГТУ

Рис. 4. Изменение относительной экономии топлива от числа включенных ГТУ (АЛ-31СТЭ) в неотопительный период

Наибольшую экономию топлива можно получить при работе одного агрегата при полной утилизации продуктов сгорания ГТУ. Увеличение числа

включенных агрегатов приводит к резкому снижению АВ эк до 7 % для АЛ-31СТЭ и перерасходу топлива для НК-14Э. Здесь следует отметить, что использование агрегатов АЛ-31СТЭ с Пг^ =35 %, по сравнению с НК-14Э

(Пгту =30 %), обеспечивает положительную экономию топлива даже в условиях работы без утилизации теплоты уходящих газов. Это объясняется более высоким

электрическим КПД ГТУ по сравнению с ТЭС с учетом потерь при транспорте электроэнергии.

Изменение годовой относительной экономии топлива от количества ГТУ на малой ТЭЦ показано на рис. 5. Здесь рассмотрены три варианта работы энергоагрегатов: 1 - при работе всех установленных ГТУ; 2 - при работе в неотопительный период одного агрегата; 3 - при последовательном отключении агрегатов по мере снижения тепловой нагрузки.

Рис.5. Изменение годовой относительной экономии топлива в зависимости от количества установленных ГТУ и режимов их использования в неотопительный период: а - НК-14Э; б - АЛ-31СТЭ □ - в неотопительный период в работе находятся все установленные на малой ТЭЦ агрегаты; □ - в неотопительный период в работе находится один агрегат; - в отопительный

период агрегаты отключаются по мере снижения тепловой нагрузки, в неотопительный период в

работе находится один агрегат

Наибольшая экономия топлива получается при установке на малой ТЭЦ двух-трех ГТУ в условиях последовательного их отключения по мере снижения теплопотребления и сохранения в работе в неотопительный период одного агрегата с максимальной утилизацией продуктов сгорания (варианты 2, 3). Для НК-14Э относительная экономия топлива в этих условиях составляет 21 %, для АЛ-31СТЭ - 26-27 %. Применение агрегатов с более высоким КПД обеспечивает

дополнительный прирост АВ эк .

Выводы

1. Предложен показатель относительной экономии топлива для оценки тепловой экономичности малых ТЭЦ с ГТУ в системе энергоснабжения, учитывающий изменение характеристик энергоагрегатов и график теплопотребления.

2. Наибольшую экономию топлива 21-27 % обеспечивает установка 2-3 ГТУ, работающая с максимальной утилизацией продуктов сгорания для целей теплоснабжения. При этом в отопительный период целесообразно последовательное отключение агрегатов по мере снижения теплопотребления, в неотопительный период - оставление в работе одной установки.

3. Применение агрегатов с более высоким электрическим КПД обеспечивает дополнительную экономию топлива.

Summary

The factor of relative spare fuel isoflered for estimation the heat economy of small heat and power plants (HPP) with GTU in system of the power supply. This factor is take

into account change the features of power unit and heat consumption graph. The rational number of working GTU in heating and unheating periods is determined with use this factor. The fuel economy is determined too.

Литература

1. Федоров В.А., Смирнов В.М. Опыт разработки, строительства и ввода в эксплуатацию малых электростанций// Теплоэнергетика. - 2000. - №1. - С.9-13.

2. Салихов А.А., Фаткуллин Р.М. Экологические аспекты внедрения газотурбинных технологий в Башкирэнерго// Электрические станции. - 2002. -№7. - С.15-19.

3. Цанев С.Б., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. - М.: МЭИ, 2002. - 584 с.

4. Андрющенко А.И. Системная эффективность бинарных ПГУ-ТЭЦ// Теплоэнергетика. - 2000. - №12. - С.11-15.

5. Соколов А.А. Системная эффективность отопительных ПГУ-ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения: Автореф. диссертации канд. техн. наук: 05.14.01. - Саратов: СГТУ, 2004. - 20 с.

Поступила 17.06.2005