Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ режимов работы пгу в условиях переменного графика электрических нагрузок 9
1.1 Перспективы развития энергетики на базе парогазовых технологий в России 9
1.2 Особенности тепловых схем ПГУ с КУ трех давлений 27
1.3 Особенности режимов работы ПГУ с КУ на оптовом рынке электроэнергии и мощности 34
1.4 Обзор работ по исследованию регулировочного диапазона ПГУ и способов его расширения 42
1.5 Постановка задач и целей исследования 44
2 Разработка методики комплексного расчета для анализа режимов работы ПГУ-КЭС 47
2.1 Методика расчета статических режимов ГТУ на основе экспериментальных характеристик 48
2.2 Алгоритм расчета статических режимов ГТУ на основе экспериментальных характеристик 55
2.3 Краткое описание объекта исследования 59
2.4 Условия проведения испытаний 68
2.5 Экспериментальные характеристики ГТУ 71
2.6 Разработка программы расчета переменного режима ГТУ 75
2.7 Достоверность методики численного исследования статических режимов работы ГТУ на основе экспериментальных характеристик 80
2.8 Разработка математической модели КУ и ПТУ ПГУ-420 83
2.9 Выводы по главе 88
3 Исследование регулировочного диапазона нагрузок пгу с ку трех давлений и промежуточным перегревом пара 89
3.1 Результаты тепловых испытаний энергоблока ПГУ-420Т 90
3.2 Технологический максимум нагрузки ПГУ-420 95
3.3 Анализ факторов, ограничивающих технологический минимум нагрузки ПГУ-420 99
3.4 Выводы по главе 112
4 Снижение технологического минимума нагрузки ПГУ 114
4.1 Анализ способов снижения технологического минимума нагрузки ПГУ 114
4.2 Снижение технологического минимума нагрузки ПГУ-420 119
4.3 Способ уменьшения мощности ГТУ для снижения технологического минимума нагрузки ПГУ 136
4.4 Оптимизация режимов работы ПГУ при прохождении провалов графика электрической нагрузки 144
4.5 Выводы по главе 149
5 Повышение технологичесого максимума нагрузки пгу при высоких температурах наружного воздуха . 151
5.1 Анализ способов повышения технологического максимума нагрузки ПГУ 151
5.2 Повышение номинальной мощности ПГУ-420 путем впрыска воды в воздухозаборный тракт ГТУ 153
5.3 Повышение номинальной мощности ПГУ-420 путем сжигания перед котлом-утилизатором дополнительного топлива 167
5.4 Выводы по главе 176
Выводы по дисссертационной работе 177
Список использованных сокращений 180
Список литературы
- Обзор работ по исследованию регулировочного диапазона ПГУ и способов его расширения
- Алгоритм расчета статических режимов ГТУ на основе экспериментальных характеристик
- Анализ факторов, ограничивающих технологический минимум нагрузки ПГУ-420
- Повышение номинальной мощности ПГУ-420 путем впрыска воды в воздухозаборный тракт ГТУ
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время на отечественных ТЭС активно внедряются мощные парогазовые установки с котлами-утилизаторами трех давлений и промежуточным перегревом пара, являющиеся одним из наиболее распространенных типов генерирующих установок на природном газе в мировой энергетике. Учитывая высокую экономичность этих ПГУ, их проектировали для эксплуатации преимущественно в базовом режиме с минимальным количеством пусков и изменений нагрузки. Однако, возникновение оптового рынка электроэнергии и мощности и ограниченные возможности регулирования нагрузки в энергосистемах привели к тому, что в действительности режимы эксплуатации ПГУ существенно отличаются от базовых. В нашей стране снижение тарифов на электроэнергию в ночное время привело к необходимости их глубоких разгрузок. Диспетчерский график электрических нагрузок составляется исходя из аттестованного значения электрической мощности ПГУ при tHB = 15 С. Снижение электрической мощности ПГУ при высоких температурах наружного воздуха ниже аттестованного значения приводит к тому, что генерирующие компании несут убытки из-за уменьшения платы за установленную мощность и недовыработки электроэнергии. В этих условиях возросла актуальность расширения регулировочного диапазона нагрузок ПГУ, определяемого как разность между максимальной и минимальной электрическими нагрузками, достигаемыми без изменения состава работающего оборудования. Учитывая увеличение времени работы ПГУ на частичных нагрузках и возрастание роли разгрузок до минимально возможного уровня, а также целесообразность привлечения ПГУ к регулированию частоты и мощности в энергосистеме, комплексное исследование регулировочного диапазона мощных ПГУ и обоснование способов его расширения на сегодняшний день является актуальной задачей.
Цели и задачи работы
Целью диссертационной работы является повышение экономической эффективности эксплуатации ПГУ на основе комплексного исследования регулировочного диапазона нагрузок и обоснования возможностей его расширения. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Разработать методику и алгоритм расчета статических режимов работы ПГУ-КЭС с КУ на основе экспериментальных характеристик;
-
Разработать программный комплекс, реализующий методику и алгоритм расчета статических режимов работы ПГУ;
-
Провести экспериментальные исследования переменных режимов энергоблока ПГУ-420, работающего на ТЭЦ-16 ПАО “Мосэнерго”;
-
Выполнить расчетные исследования режимов работы ПГУ при различных нагрузках и температурах наружного воздуха;
-
Выполнить анализ факторов, ограничивающих регулировочный диапазон нагрузок ПГУ;
-
Разработать мероприятия по расширению регулировочного диапазона нагрузок ПГУ;
7. Выполнить оптимизацию режимов работы ПГУ в условиях переменного графика электрической нагрузки.
Научная новизна работы
-
Впервые разработаны методика и алгоритм расчета статических режимов работы ПГУ-КЭС с КУ с использованием экспериментальных характеристик компрессора и газовой турбины, позволяющие определить интегральные показатели ПГУ и её оборудования (мощность, КПД), а также внутренние параметры ГТУ (приведенные расходы и КПД турбомашин) при различных нагрузках, температурах наружного воздуха и уставках по регулируемым параметрам АСУТП.
-
Впервые выполнены экспериментальные и расчетные исследования, результаты которых позволили получить полное представление о режимах работы ПГУ с КУ трех давлений и промежуточным перегревом пара, её параметрах и показателях, а также закономерностях их изменений в широком диапазоне нагрузок и температур наружного воздуха. Выявлены и проанализированы факторы, ограничивающие регулировочный диапазон нагрузок ПГУ.
-
Впервые разработана методика определения и получены аналитические зависимости для максимума, технологического минимума и регулировочного диапазона нагрузок трехконтурной ПГУ с КУ от температуры наружного воздуха.
-
Впервые выполнен расчетный анализ способов расширения регулировочного диапазона нагрузок, результаты которого позволяют обосновать мероприятия для повышения номинальной мощности, снижения технологического минимума нагрузки и повысить экономическую эффективность эксплуатации ПГУ с КУ трех давлений и промежуточным перегревом пара в условиях переменного графика электрической нагрузки.
Теоретическая ценность работы состоит в разработанной методике, алгоритме расчета статических режимов работы ПГУ-КЭС с КУ и математической модели ПГУ-420 на основе экспериментальных характеристик, полученных методом статистической обработки результатов тепловых испытаний. Практическая значимость работы состоит в том, что:
-
Полученные в диссертационной работе результаты экспериментальных и расчетных исследований могут быть использованы проектными, научно-исследовательскими, пусконаладочными организациями и эксплуатационным персоналом для обоснования возможностей участия трехконтурных ПГУ с КУ в регулировании мощности в энергосистеме и повышения экономической эффективности их эксплуатации в таких режимах.
-
Результаты экспериментальных исследований использованы при проведении пусконаладочных работ, а разработанная методика определения регулировочного диапазона нагрузок реализована на действующих энергоблоках ПГУ-420 ТЭЦ 16 и ТЭЦ 20 ПАО “Мосэнерго”.
-
Разработанная программа “Расчет переменного режима энергетической газотурбинной установки” используется в лаборатории газовых турбин ОАО “ВТИ” при проведении научно-исследовательских работ.
4. Разработанная на основе экспериментальных характеристик модель ПГУ-420 может быть использована для планирования работы и контроля её технического состояния в процессе эксплуатации, а также при проведении пус-ко-наладочных работ и тепловых испытаний.
Достоверность и обоснованность результатов
Достоверность и обоснованность результатов определяются применением базовых физических законов и уравнений термодинамики. Численные расчеты выполнены с использованием компьютерной техники, программного обеспечения и общепринятых методов вычислений. Обработка экспериментальных данных проведена в соответствии с ГОСТ Р 55798–2013 (ISO 2314:2009). Верификация разработанных моделей проведена путем сравнения результатов расчета с результатами обработки данных тепловых испытаний ПГУ-420 ТЭЦ-16 ПАО “Мосэнерго”.
Личный вклад автора
Автором лично составлен обзор научно-технической литературы, разработана методика, алгоритм и реализующий его программный комплекс расчета статических режимов работы ПГУ-КЭС с КУ на основе экспериментальных характеристик, проведены экспериментальные исследования переменных режимов энергоблока ПГУ-420, выполнено расчетное исследование его режимов работы, получены результаты, содержащие научную новизну, и даны практические рекомендации.
Положения, выносимые на защиту
-
Методика и алгоритм расчета статических режимов работы ПГУ-КЭС с КУ на основе экспериментальных характеристик.
-
Результаты экспериментальных и расчетных исследований режимов работы ПГУ, закономерности изменения её параметров показателей при различных нагрузках и температурах наружного воздуха.
-
Методика определения регулировочного диапазона нагрузок ПГУ.
-
Результаты расчетного анализа мероприятий по расширению регулировочного диапазона нагрузок ПГУ.
Апробация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва,2014,2015,2016 гг.); международной научно-технической конференции “Состояние и перспективы развития электро-и теплотехнологии (XVIII Бенардосовские чтения)” (Иваново,2015г.); научно-практической конференции “Энергоэффективность и энергосбережение» (Бала-ково,2015 г.); международной молодежной научной конференции “Тинчурин-ские чтения» (Казань,2016 г.);международных научно-методических конференциях “Информатизация инженерного образования” (Москва,2014,2016 гг.); LXII и LXIII научно-технических сессиях по проблемам газовых турбин и парогазовых установок (Москва,2015 г.;Рыбинск, 2016 г.); научном семинаре кафедры Тепловых электрических станций, ФГБОУ ВО НИУ “МЭИ” (2016 г.); заседании кафедры Тепловых электрических станций, ФГБОУ ВО НИУ “МЭИ” (2017г.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных изданиях, из которых два входят в перечень ВАК, разработанный автором программный комплекс прошел государственную регистрацию в Роспатенте.
Структура и объем работы
Обзор работ по исследованию регулировочного диапазона ПГУ и способов его расширения
В российской энергетике опыт по внедрению парогазовых установок начинает свой отсчет с 2000 г. и лавинообразно нарастает по сегодняшний день. В 2000 г. был введен в эксплуатацию первый парогазовый энергоблок ПГУ-450 на «Северо-Западной ТЭЦ» в г. Санкт-Петербург. Этот энергоблок является первым не только в очереди строительства парогазовых энергоблоков на «Северо-Западной ТЭЦ», но и в российской энергетике в целом. В 2006 г. на «Северо-Западной ТЭЦ» был введен второй энергоблок ПГУ-450. Оба парогазовых энергоблока представляют собой однотипные дубль-блочные парогазовые установки с котлами-утилизаторами двух давлений. В состав одного энергоблока входят две газотурбинные установки ГТЭ-160 производства фирмы «Силовые машины», два вертикальных паровых котла-утилизатора П-90 производства фирмы «ЗИОМАР», и одной паровой турбины Т-125/150-7,7. Стоит отметить, хотя газотурбинная установка и котел-утилизатор произведены российскими компаниями, они не являются отечественными разработками. В частности, газотурбинная установка ГТЭ-160 производится фирмой «Силовые машины» без изменений по лицензии компании-разработчика Сименс. Паровой котел-утилизатор Пр-242/56-8,0/0,7-515/200 (П-90), произведенный фирмой «ЗиО-Подольск», разработан бельгийской фирмой «CMI». Электрический КПД введенных энергоблоков находится на уровне 51%.
В 2005 г. на «Калининградской ТЭЦ-2» введен в эксплуатацию первый, и в 2010 г. второй энергоблок ПГУ-450. Введенные парогазовые энергоблоки принципиально повторяют реализованные ранее на «Северо-Западной ТЭЦ» энергоблоки, они также выполнены по дубль-блочной схеме с двухконтурными котлами-утилизаторами на базе газотурбинной установки ГТЭ-160. Состав оборудования первого и второго парогазовых энергоблоков «Калининской ТЭЦ-2» идентичен, и состоит из двух газотурбинных установок ГТЭ-160, производства фирмы «Силовые машины», двух горизонтальных двухконтурных паровых котлов Пр-233/46-7,85/0,6-510/226 (П-96), производства фирмы «ЗиО-Подольск», и паровой турбины Т-150-7,7, производства фирмы «Силовые машины». Электрический КПД введенных энергоблоков находится на уровне 51%.
В 2007 г. состоялся пуск энергоблока №3 ПГУ-450, а в 2008 г. введен энергоблок №4 ПГУ-450 на ТЭЦ-27 «Мосэнерго». Парогазовые энергоблоки №3 и №4 идентичны друг другу и принципиально повторяют все введенные ранее дубль-блочные двухконтурные парогазовые энергоблоки на базе газотурбинной установки ГТЭ-160. В состав основного оборудования каждого блока входят две газотурбинные установки ГТЭ-160 производства фирмы «Силовые машины», два вертикальных паровых котла-утилизатора Пр-224/51-7,70/0,58-509/206 (П-107), разработанных «ИК «ЗИОМАР» и произведенных фирмой «ЗиО-Подольск», одна паровая турбина Т-125/150-7,4 производства фирмы «Силовые машины». Электрический КПД введенных энергоблоков находится на уровне 51%.
В 2008 г. состоялся пуск первого энергоблока, а в 2012 г. второго энергоблока ПГУ-325 на «Ивановских ПГУ». Парогазовые установки ПГУ-325 «Ивановских ПГУ», представляют собой однотипные дубль-блочные парогазовые энергоблоки. В состав основного оборудования входят котлы-утилизаторы двух давлений ПК-53 производства «ЗиО-Подольск», газовые турбины ГТЭ-110 производства «НПО «Сатурн», паровая турбина К-110-6,5 производства «Силовых машин». Данный энергоблок отличается от ранее введенных энергоблоков тем, что основан на газотурбинных установках, разработанных и производимых российской компанией. Энергоблоки ПГУ-325 имеют показатели эффективности, сравнимые с ранее введенным, на уровне 51%.
В 2008 г. введен в эксплуатацию энергоблок №1 ПГУ-450 на ТЭЦ-21 «Мосэнерго». Данный дубль-блочный двухконтурный парогазовый энергоблок идентичен, введенным на ТЭЦ-27 энергоблокам. В 2010 г. введен в эксплуатацию энергоблок ПГУ-400 «Шатурской ГРЭС». Данный парогазовый энергоблок представляет собой моноблочную трехконтур-ную парогазовую установку с промежуточным перегревом пара производства фирмы «General Electric» STAG 109FA. В состав основного оборудования энергоблока входит газотурбинная установка PG9351FA производства фирмы «General Electric», горизонтальный трехконтурный паровой котел-утилизатор с промежуточным перегревом пара производства фирмы «CMI» и паротурбинная установка типа D10 производства фирмы «General Electric». Электрический КПД введенного энергоблока находится на уровне 56%.
В 2011 г. на Краснодарской ТЭЦ введен в эксплуатацию энергоблок ПГУ-410. Энергоблок ПГУ-410 представляет собой моноблочную трехконтурную парогазовую установку и предназначен для производства тепловой и электрической энергии в базовом режиме работы. В состав основного оборудования ПГУ-410 входит газотурбинная установка (ГТУ) M701F4 электрической мощностью 303,5 МВт производства компании Mitsubishi Heavy Industry, Ltd., Япония; котел-утилизатор трех давлений типа Еп-307/350/47-13,0-565/560/247 производства ОАО «ЭМАльянс», Россия; паровая турбина Т-113/145-12,4 производства ЗАО «Уральский турбинный завод», Россия. Расчетный электрический КПД ПГУ при работе в конденсационном режиме составляет 57,4%.
В 2011 г. состоялся пуск энергоблоков №7 и №8 ПГУ-400 на «Сургутской ГРЭС-2». Оба энергоблока представляют собой однотипные энергоблоки STAG 109FA производства фирмы «General Electric» идентичные энергоблоку ПГУ-400, введенному ранее на «Шатурской ГРЭС».
В 2011 г. на ТЭЦ-26 «Мосэнерго» введен в эксплуатацию энергоблока №8 (ПГУ-420). Данный энергоблок является первым, построенным в России западноевропейской компанией Alstom в рамках контракта на проектирование, поставку оборудования и строительства «под ключ». В состав основного оборудования энергоблока №8 входит газотурбинная установка GT26 производства фирмы Alstom, трехконтурный паровой горизонтальный котел-утилизатор с промежуточным перегревом пара и естественной циркуляцией, произведенный фирмой «ЭМ Альянс», и паровая турбина STF30c производства фирмы Alstom. Стоит заметить, что паровой котел-утилизатор произведен фирмой «ЭМ Альянс» по лицензии и не является отечественной разработкой. Электрический КПД введенного энергоблока находится на уровне 57%.
В 2011 г. ОАО «Силовые машины» и Siemens AG подписали заключительные документы о создании в г. Санкт-Петербурге совместного предприятия по производству и сервисному обслуживанию газовых турбин для России и стран СНГ. Новое предприятие – ООО «Сименс Технологии Газовых Турбин» (СТГТ) – создано на базе компании «Интертурбо». Основные направления деятельности СТГТ – проектирование газовых турбин, локализация их производства в России, сборка, продажи, управление проектами и техническое обслуживание. На заводе будет производиться механическая обработка роторных и статорных деталей и узлов, выполняться полный цикл сборочных работ, проводиться комплекс заводских испытаний, консервация оборудования и отгрузка его заказчику. В перспективе планируется освоить производство одной из самых эффективных в мире газовых турбин – SGT5-4000F.
В 2011 г. на «Яйвинской ГРЭС» введен в эксплуатацию энергоблок ПГУ-400. Реализованный энергоблок является моноблочной трехконтурной парогазовой установкой с промежуточным перегревом пара производства фирмы «Siemens» SСC5-4000F-1S. В состав основного оборудования данного парогазового энергоблока входит газотурбинная установка SGT5-4000F производства фирмы «Siemens», вертикальный трехконтурный паровой котел-утилизатор с промежуточным перегревом пара производства фирмы «CMI» и паровая турбина SST5-4000F производства фирмы «Siemens». Электрический КПД введенного энергоблока находится на уровне 56,5%.
Алгоритм расчета статических режимов ГТУ на основе экспериментальных характеристик
Обобщая проведенный анализ тепловых схем трехконтурных парогазовых установок предлагаемых ведущими мировыми производителями можно сделать вывод, что принципиальные решения по формированию тепловой схемы совпадают, а различия имеют как положительные стороны (снижения общей стоимости строительства), так и негативные стороны (удорожание строительства, ухудшение показателей тепловой экономичности, снижение надежности эксплуатации). 1.3 Особенности режимов работы ПГУ с КУ на оптовом рынке электроэнергии и мощности
В настоящее время так же, как в 70-80 годы прошлого века, наблюдается острый дефицит производства электроэнергии, и для обеспечения надежности энергоснабжения особый интерес представляют проблемы маневренности энергетического оборудования, в частности, маневренности парогазовых энергоблоков. Применительно к оборудованию ТЭС, привлекаемых к регулированию частоты и мощности в энергосистеме, силами ряда научных, наладочных и эксплуатационных организаций с участием заводов-изготовителей оборудования (ВТИ, ОРГРЭС, МЭИ, ЮжВТИ и т.д.) в указанный период были проведены целенаправленные исследования для расширения регулировочного диапазона и повышения маневренности ТЭС, предназначенных для работы в базовой части графиков электропотребления [11], благодаря чему в условиях отсутствия специализированного маневренного оборудования удалось успешно решить проблему их участия в регулировании параметров энергосистем.
Ожидаемое значительное увеличение доли парогазовых энергоблоков в общей мощности энергосистем неизбежно приведет к необходимости их широкого привлечения к регулированию графиков электрической нагрузки и увеличению длительности их работы в нестационарных режимах и на частичных нагрузках. Внедрение высокоэкономичных ПГУ, проектируемых для работы в базовой части графиков электрической нагрузки, без должного внимания к требованиям к маневренности парогазовых энергоблоков и без ввода в энергосистему маневренных электростанций, так же как в 60-70 годы прошлого века, приведет к тому, что проблемы маневренности для энергосистем станут серьезными, требующими принятия неотлагательных мер по приспосабливанию, в том числе ПГУ к работе в переменных режимах.
Работа в условиях рынка электроэнергии и мощности требует от поставщиков электроэнергии более экономичного и маневренного оборудования. При работе электростанций на оптовом рынке электроэнергии и мощности взаимоотношения между генерирующими компаниями и системным оператором ЕЭС формируются на основе договоров на предоставление электроэнергии, мощности на оптовый рынок. В них оговариваются отдельные условия, выполнение которых строго обязательно. К ним относятся не только гарантированная максимальная мощность, которая должна быть обеспечена в любое время по требованию системного оператора, технико-экономические и экологические показатели, но особо жестко оговариваются характеристики маневренности оборудования, как определяющие режимы работы энергосистемы, причем независимо от его типа (конденсационное или теплофикационное). Невыполнение заявленных показателей штрафуется очень строго вплоть до отказа от оплаты поставленной на рынок мощности.
В соответствии с «Техническими требованиями к маневренности энергетических парогазовых установок блочных тепловых электростанций», которые были разработаны и утверждены департаментом науки и техники РАО «ЕЭС России» 23/III 1995 г., [12] вновь проектируемые ПГУ при работе их в полупиковом режиме с ежедневными остановами в резерв на нерабочие дни и ежесуточными остановами на ночное время должны были обеспечить регулирование мощности в соответствии с требованиями энергосистемы.
В настоящее время приказом ОАО «СО ЕЭС» от 05.12.2012 г. №475 утвержден и введен в действие Стандарт «Нормы участия парогазовых установок в нормированном первичном регулировании частоты и автоматическом вторичном регулировании частоты и перетоков активной мощности» [13], в котором установлены технические требования, предъявляемые к парогазовым установкам для их участия в НПРЧ и АВРЧ, а также требования к мониторингу для такого участия и порядок и методику проверки соответствия парогазовых установок требованиям, предъявляемым к ним для получения соответствующего статуса. Стандарт распространяется на парогазовые установки утилизационного типа в одно, двух и много-вальном исполнении с одной или несколькими газовыми турбинами и котлами-утилизаторами и одной паровой турбины. Традиционно под маневренностью оборудования тепловых электростанций [12] понимаются характеристики, определяющие быстроту и надежность выполнения различных режимных функций для обеспечения надежной работы системы в нормальных и аварийных условиях. В понятие маневренности входят:
Анализ факторов, ограничивающих технологический минимум нагрузки ПГУ-420
Расчет тепловой схемы ГТУ происходит последовательно в соответствии с расположением её элементов (компрессора, камеры сгорания, газовой турбины) по ходу рабочей среды. Каждый из элементов ГТУ описывается системой нелинейных уравнений, для решения которой на соответствующем этапе расчета используется метод итераций. Результаты расчетов каждого из элементов ГТУ используются в общем цикле последовательных приближений к заданному значению целевого параметра. Целевой параметр в общем цикле последовательных приближений при расчете тепловой схемы ГТУ определяется режимом её регулирования. В алгоритме реализованы возможности расчетов при различных режимах регулирования ГТУ: 1) Поддержание заданного значения электрической мощности; 2) Поддержание заданного значения температуры газов перед турбиной; 3) Поддержание заданного значения температуры, отработавших в ГТУ газов; 4) Поддержание заданного значения коэффициента избытка воздуха в камере сгорания ГТУ.
В алгоритме также реализована возможность расчета режимов форсирования мощности ГТУ впрыском воды и вводом пара в газо-воздушный тракт ГТУ. Расчет может быть проведен для следующих вариантов: 1) впрыск воды в воздухозаборный тракт ГТУ; 2) ввод воды или пара в камеру сгорания.
Повышение номинальной мощности ПГУ возможно путем сжигания перед КУ дополнительного топлива. В этом случае в ходе расчетов определяются параметры продуктов сгорания за камерой дожигания.
Рассмотрим последовательность расчета тепловой схемы ГТУ при заданном значении температуры газов перед ГТ. Данный вариант расчета является наиболее простым и выбран в качестве базового при использовании в качестве целевого параметра мощности N3, температуры отработавших газов t2t или коэффициента избытка воздух а акс .
На первом этапе расчета задается начальное приближение по значению расхода топлива в КС ГТУ: Вт = Б"ом (2.54) Далее по формулам 2.1-2.28 рассчитываются параметры наружного воздуха и параметры воздуха при сжатии в компрессоре. При расчете режимов с перепус 57 ком части сжатого в компрессоре воздуха на его вход значение расхода перепускаемого воздуха Gnep (или температуры воздуха перед компрессором tlK) уточняется при проведении итераций по указанным параметрам на данном этапе расчета.
Расчет параметров рабочего тела в камере сгорания ГТУ носит итеративный характер. По принятому в качестве первого приближения значению коэффициента избытка воздуха в КС акс « 3 и молекулярному составу топлива рассчитываются теоретически необходимый объем воздуха, параметр состава /? и молекулярная масса продуктов сгорания д. Затем по 2.32 определяется энтальпия продуктов сгорания топлива и по 2.31 рассчитывается расход топлива. Значение коэффициента избытка воздуха уточняется по формуле: ІКС акс = (2.55) L0-BT При достижении заданной разности между двумя последовательными значениями акс расчет параметров рабочего тела в камере сгорания заканчивается. При использовании экспериментальных зависимостей 2.34-2.38 для определения /? и \i расчет параметров рабочего тела в камере сгорания ГТУ существенно упрощается. По определенному на этапе расчета камеры сгорания значению расхода топлива уточняется значение расхода газов через турбину и расчет компрессора повторяется. Итерации по значению Вт проводятся до момента достижения заданной сходимости по данному параметру: Д#т = \В — В 1\ ДБ ад (2.56) Далее по формулам 2.39-2.56 рассчитываются параметры газов при расширении в турбине.
Расчет режима работы ГТУ по заданному значению температуры отработавших газов осуществляется по рассмотренной выше схеме. На первом этапе задается начальное приближение по значению температуры продуктов сгорания топлива перед турбиной, которое затем уточняется в соответствии с рассчитанным значением температуры газов на выхлопе турбины по следующей формуле: Іт1 = 1т — ( 2т — 2тХ) (2.57) Расчет заканчивается при достижении заданной погрешности значения температуры отработавших газов: Д 2т = 2тХ — 2т — 2тА (2.58)
Указанный выше алгоритм используется при расчете тепловой схемы ГТУ по заданному значению коэффициента избытка воздуха в КС. На первом этапе задаётся начальное приближение по значению температуры продуктов сгорания топлива перед турбиной. Значение температуры газов перед турбиной уточняется в соответствии с рассчитанным значением коэффициента избытка воздуха в КС. Если рассчитанное значение коэффициента избытка воздуха в КС отличается от заданного, то происходит корректировка исходного значения температуры газов перед турбиной по следующей формуле: Іт 1 Іт " (1 — кс исхкс ) = tjT (1 — SaKC) (2.59) и снова проводится итеративный расчет по значению tj 1. Общий цикл расчетов прекращается при достижении заданной погрешности значения коэффициента избытка воздуха в КС: Д кс = акс — кс і — ДаксА (2.60)
Блок-схема алгоритма расчета ГТУ на основе экспериментальных характеристик представлена на рисунке 2.1. Разработанные методика и алгоритм расчета статических режимов работы ГТУ на основе экспериментальных характеристик положены в основу математической модели газотурбинной установки SGT5-4000F, работающей в составе ПГУ-420Т на ТЭЦ-16 (филиал ПАО “Мосэнерго”).
Повышение номинальной мощности ПГУ-420 путем впрыска воды в воздухозаборный тракт ГТУ
Рассмотрим предлагаемые в настоящее время способы снижения технологического минимума нагрузки ПГУ. Как указывалось ранее, в работах Ольховского Г. Г. [14], Радина Ю.А. [14, 38] и Давыдова А. В. [87] рассмотрены вопросы определения допустимого регулировочного диапазона ПГУ-450Т и способы его расширения. Так в [38,87] проанализированы факторы, ограничивающие регулировочный диапазон нагрузки ПГУ-450Т, а в [14] для его расширения предлагается использовать углубление регулирования расхода воздуха с помощью ВНА компрессора, сброс сжатого воздуха на вход компрессора, впрыск воды в воздушный тракт, а также дожигание топлива перед КУ.
В настоящее время технологический минимум нагрузки ПГУ-450Т составляет 255-265 МВт или 0,56-0,60 номинальной мощности. В статье [14] показано, что углубление регулирования расхода воздуха с помощью ВНА при разгрузках позволяет уменьшить нагрузку ПГУ-450Т до 180-220 МВт, соответствующих технологическому минимуму в 0,40-0,48 номинальной нагрузки. При снижении нагрузки ГТУ перезакрытие ВНА позволяет повысить температуру перегретого пара высокого давления (при одинаковой нагрузке) на 40 0С, увеличить мощность паровой турбины, тем самым снизив удельный расход тепла примерно на 3%. Проблем с влажностью пара в последней ступени паровой турбины, работающей в составе ПГУ на скользящем давлении не возникает, так как в области минимальных нагрузок ПГУ и температур отработавших в турбине газов t2T 500 С давление пара не превышает 4,5 МПа. Однако в статье отмечается также, что углубление регулирования расхода воздуха с помощью ВНА с поддержанием температуры, отработавших в ГТУ газов, сопровождается снижением перепада температур и коэффициента избытка воздуха в камере сгорания, поэтому возможность её работы в малоэмиссионном смесительном режиме при этих условиях должна быть подтверждена испытаниями.
Простейшим способом сохранения высокой температуры газов в камере сгорания и котле-утилизаторе при снижении нагрузки ПГУ после полного прикрытия ВНА компрессора является перепуск части сжатого в компрессоре воздуха на его вход [88]. Увеличение расхода перепускаемого воздуха при поддержании температуры, отработавших в ГТУ газов, сопровождается увеличением избытка воздуха в камере сгорания, и таким образом его максимально допустимое значение, соответствующее переходу камеры сгорания из смесительного в диффузионный режим горения с существенным увеличением концентрации NOх в продуктах горения, ограничивает возможности разгружения ПГУ с помощью рассматриваемого способа. В статье [14] показано, что при температуре наружного воздуха от -25 до 15 0С мощность ПГУ за счет перепуска воздуха может быть снижена до 165-200 МВт, влажность пара после ЦНД при этом составляет 8,0-9,5 %. Варианты регулирования нагрузки ГТУ с поддержанием коэффициента избытка воздуха и температуры горения в статье не рассмотрены.
Таким образом, представляется целесообразным проанализировать возможности снижения технологического минимума нагрузки ПГУ за счет углубления регулирования расхода воздуха с помощью ВНА и перепуска части сжатого в компрессоре воздуха на его вход при поддержании значений коэффициента избытка воздуха и температуры горения в камере сгорания, при которых обеспечивается достаточная устойчивость горения гомогенной предварительно-подготовленной топливовоздушной смеси с малыми концентрациями NOx и CO в продуктах сгорания.
В работе [87] проведено экспериментальное исследование возможности применения системы антиобледенения ГТУ для расширения регулировочного диапазона ПГУ-450Т. В работе показано, что применительно к ПГУ-450Т включение АОС сопровождается снижением нагрузки каждой газовой турбины на 7-8 МВт, паровой турбины -2-3 МВт и ПГУ в целом - на 16-19 МВт. Этот метод позволяет расширить регулировочный диапазон примерно на 4%, но сопровождается снижением КПД ПГУ на 4,0 – 5,0%. На рисунке 4.1 показано изменение границы регулировочного диапазона ПГУ-450Т при включении антиобледенительной системы.
Следует отметить, что в данной работе исследование возможности применения АОС для расширения регулировочного диапазона ПГУ-450Т было проведено в ограниченном диапазоне температур наружного воздуха (от-5 0С до +5 0С). Кроме того, подогрев воздуха в АОС для ПГУ-450Т осуществляет путем перепуска части сжатого в компрессоре воздуха на его вход. Система подогрева такого типа достаточно широко распространена, но является устаревшей, и в настоящее время компания Siemens комплектует ГТУ этилен-гликолевыми АОС, в которых подогрев воздуха на входе в компрессор осуществляется за счет теплоты передаваемой от сетевой воды через промежуточный теплоноситель (этилен-гликоль). Тип АОС оказывает прямое влияние на показатели ГТУ и эффективность рассматриваемого способа расширения регулировочного диапазона ПГУ будет определяться способом подогрева воздуха в АОС, поэтому представляется целесообразным проанализировать возможности снижения технологического минимума нагрузки ПГУ за счет использования этилен-гликолевой АОС.