Технические науки/ 5. Энергетика

К.т.н, Ларин Е.А. , А.Ш. Шамильев

Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А., Россия

повышение Эффективности
существующих ТЭЦ путем применения
газотурбинных надстроек

Современные существующие и проектируемые газотурбинные установки с температурой газа перед газовой турбиной до 1200^ОС и электрическим КПД до 38% не могут использоваться как одноцелевые энергетические установки. Одним из эффективных направлений их использования является техническое перевооружение существующих региональных ТЭЦ, установленная мощность которых составляет около 30% от мощности всех электростанций страны, с переводом их работы по парогазовому циклу. Наряду с созданием современных отопительных парогазовых установок на базе отечественных ГТУ типа ГТЭ-160, ГТЭ-110, ГТЭ-65 актуальной является задача реконструкции существующих ТЭЦ с использованием газотурбинных установок средней мощности 25-30 МВт. Анализ возможных путей модернизации существующих ТЭЦ показывает, что наиболее эффективным является их реконструкция путем надстройки ГТУ, оснащенных котлами – утилизаторами (КУ), генерирующими и подающими свежий пар в главные паропроводы ТЭЦ.

Увеличение мощности и выработки электроэнергии при парогазовой надстройке происходит как за счет ввода ГТУ, так и вследствие дополнительного повышения мощности паровых турбин за счет вытеснения регенеративных отборов. При этом, в случае сохранения заданного расхода пара в голову турбины, что и до надстройки ГТУ, снижается паропроизводительность энергетических котельных агрегатов (КА) станции вследствие выработки пара в котлах – утилизаторах (КУ) ГТУ. В результате может значительно снизиться удельный расход топлива на выработанную ТЭЦ электроэнергию.

Для надстроек существующих ТЭЦ наиболее подходят ГТУ типа НК-37, НК-37-1. Но из-за недостаточной температуры газов на ее выхлопе перед КУ необходима установка камера дожигания. Расчетный анализ показывает, что по тепловой экономичности и удельным капитальным затратам еще более эффективна модифицированная ГТУ НК-37-2. Она может быть создана с использованием турбокомпрессора от НК-37-1 с установкой камеры дожигания перед новой силовой турбиной. При температуре газа перед ней 900 ⁰С мощность ГТУ возрастет до 36 - 38 МВт, температура газа перед КУ возрастает, возрастет его паропроизводительность, что обеспечивает выработку пара требуемых стандартных параметров (см. рисунок 1). Это позволяет значительно увеличить электрический КПД парогазовых надстроек и применять ГТУ НК-37-2 на ТЭЦ с параметрами пара 3, 9, и 13 МПа.

Рисунок 1 - Температура газа на выходе из силовой турбины

-------- ГТУ НК-37-1 ; - - - - - ГТУ НК-37-2

При модернизации ТЭЦ с использованием газотурбинных надстроек нужно иметь в виду, что в зимний период работы они более экономичны, чем КЭС, но летом при работе на конденсационном режиме с КПД от 24 до 30% значительно уступают им по экономичности и оказываются не конкурентоспособными на энергетическом рынке. Поэтому конденсационная выработка электроэнергии на ТЭЦ предельно ограничена и в результате в неотопительные периоды рабочая электрическая мощность турбоагрегатов ТЭЦ оказывается значительно ниже их установленной мощности. В то же время, потери электроэнергии при ее транспорте к региональным потребителям от удаленных мощных КЭС и АЭС, достигают 10-15 %, а при выработке электроэнергии на местных ТЭЦ и ее поставке по распределительным ЛЭП не превышают 10 %. Таким образом, если исходить из условия равенства удельных расходов топлива на электроэнергию, получаемую потребителями от КЭС и ТЭЦ, электрический КПД КЭС должен быть выше, чем на ТЭЦ лишь на 2,0 – 2,5 абсолютных процента. Это означает, что при уровне КПД большинства КЭС в 37 – 39%, для конкурентного выхода ТЭЦ на энергетический рынок по тепловой экономичности нужно, чтобы при работе в конденсационном режиме их электрический КПД должен быть не ниже 35,0 – 36,5%.

На рисунке 2 изображены принципиальные тепловые схем надстройки ТЭЦ ГТУ НК-37-1 и НК-37-2 при ее работе в неотопительный период с конденсационной выработкой электроэнергии. Острый пар, вырабатываемый в КУ, подается в главный паропровод станции. КУ снабжен газоводяным подогревателем конденсата (ГВП1). Питательная вода КУ деаэрируется в деаэраторе низкого давления.

Рисунок 2 - Принципиальная тепловая схема надстройки ТЭЦ
с НК-37-1 и НК-37-2

Пусть расход пара на паровую турбину ТЭЦ после ее надстройки ГТУ не изменяется (). Тогда увеличение электрической мощности нетто ТЭЦ при надстройке

,

где , , - мощность газотурбинной установки, увеличение мощности паровой турбины за счет расширения в ней вытесненных КУ регенеративных отборов пара на ее ПВД, мощность дожимного газового компрессора.

Средний расход пара на ПВД паровой турбины уменьшается практически пропорционально снижению расхода питательной воды котельного агрегата равное паропроизводительности КУ , поэтому . За счет подогрева части основного конденсата турбины в газоводяном подогревателе (ГВП_К) КУ, частично вытесняется регенеративный отбор пара на ее ПНД , с его последующим расширением в турбине. При этом

,

где , , ; - расход питательной воды КУ; - энтальпии насыщения в ДВД , ДНД, и основного конденсата на входе в ГВПк; , ,, - удельная теплота конденсации пара ПВД и ПНД, удельный подвод тепла к питательной воде и основному конденсату в ПВД и ПНД.

При сравнительном анализе вариантов надстройки минимальный температурный напор в испарительной части КУ С, а для варианта с ГТУ НК-37-1 температура газа после камеры дожигания (перед КУ), равна 554 ⁰С.

Индексом «1» в дальнейшем обозначены показатели для первого варианта надстройки, с ГТУ НК-37-1, а «2» для второго - с НК-37-2.

Теплота подведенного топлива для первого и второго вариантов , где - теплота топлива, подведенная в камере сгорания ГТУ, в камере дожигания перед КУ и в камере дожигания перед силовой турбиной; - снижение расхода тепла топлива в КА за счет генерации пара в КУ.

Электрический КПД надстройки с НК-37-1 и с НК-37-2 соответственно составит и .

Пусть, производится надстройка одной ГТУ НК-37-1 с КУ ТЭЦ с параметрами пара 9 МПа и 510 ⁰С. При температуре воздуха 5⁰С надстройка будет иметь следующие расчетные показатели: паропроизводительность КУ =13,43 кг/с; суммарная электрическая мощность надстройки= 29035 кВт, мощность ГТУ; = 28957 кВт, дополнительная мощность паровой турбины = 1277 кВт; мощность ДГК = 1200 кВт. Электрический КПД надстройки = 49,1%.

Для этой же ТЭЦ с ГТУ НК-37-2 расчетные характеристики надстройки составят: =17,47 кг/с, = 35861,6 кВт, = 1662 кВт, = 1250 кВт, = 57,66 %.

Одним из путей повышения экономичности парогазовой надстройки является применение параллельной схемы подогрева питательной воды КА– как в ПВД паровой турбины (ПТ), так и в газоводяном подогревателе КУ (в ГВП2).

Рисунок 3 - Параллельная схема надстройки с ГТУ НК-37-1 и НК-37-2

На рисунках 4 - 7 приведены результаты расчетов тепловых схем первого и второго вариантов надстроек, как с обычной схемой, так и с параллельным подогревом питательной воды энергетического котла.

Рисунок 4 Рисунок 5

Рисунок 6 Рисунок 7

Из приведенного на рисунке 7 графика видно, что наибольшее влияние на электрический КПД надстройки оказывает уменьшение паропроизводительности и расхода топлива КА из-за выработки пара в КУ при подогреве части питательной воды КА в ГВП2.

Расчетный анализ показывает:

- при режимах работы ТЭЦ с тем же расходом пара на турбину, что и до надстройки, при параллельной тепловой схеме (), электрическая мощность надстройки за счет дополнительного расширения пара вытесненных регенеративных отборов на ПВД и ПНД увеличивается на 1,65-2,12 МВт;

- за счет уменьшения расхода топлива на КА, при выработке в КУ пара стандартных параметров и дополнительного увеличения мощности паровых турбин, электрический КПД надстройки повышается наиболее существенно в варианте 2 с ГТУ НК-37-2 и параллельной схемой;

- дожигание топлива перед силовой турбиной позволяет снизить концентрацию оксидов азота в уходящих газах ГТУ до допустимого уровня.

Еще большую электрическую мощность надстройки можно получить, если использовать при надстройке газопаровую установку (ГПУ), которую можно создать на базе газотурбинной установки с НК-37-2 с впрыском пара в камеру дожигания перед силовой турбиной. При этом мощность ГПУ возрастет до 61 – 63 МВт. Впрыскиваемый пар может вырабатываться как во втором контуре низкого давления КУ, так и подводиться в камеру дожигания из промышленного паропровода ТЭЦ.

Рисунок 8 - Принципиальная схема газопаровой надстройки ТЭЦ,

создаваемой на базе ГТУ НК-37-2

Силовая турбина ГПУ работает на газопаровой смеси. КУ двухконтурный с контактным конденсатором паровой составляющей смеси. Меньшая часть сконденсировавшейся в контактном конденсаторе воды используется в качестве питательной воды второго контура КУ. Его большая часть охлаждается в градирне и впрыскивается в газовый тракт КУ для конденсации паровой составляющей смеси.

Литература

1. Макаров А.А., Волкова Е.В. Перспективы развития электрогенерирующих мощностей России / Теплоэнергетика. - №2. - 2008. –С34-39.

2. Цанев С., Буров В., Соколова М.. Парогазовые установки с параллельной схемой работы на докритических параметрах пара / Газотурбинные технологии. – 2003. №5-6. С.27-32.