Размещено на http://www.allbest.ru/

Сравнительные характеристики тепловых схем мини-ТЭЦ на базе противодавленческих паровых турбин

К.т.н. В.А. Петрущенков, главный инженер,

В. В. Васькин, главный конструктор, ЗАО «Невэнергопром»

В[1] рассмотрена классификация тепловых схем мини-ТЭЦ на базе противодавленческих паровых турбин, создаваемых при существующих котельных, имеющих в своем составе паровые котлы. Представляет интерес сравнение этих схем между собой с точки зрения выработки максимально возможной электрической мощности при одинаковых тепловых нагрузках энергоисточников.

Величину максимальной электрической мощности мини-ТЭЦ определяют следующие параметры: общая тепловая нагрузка котельной, соотношение видов нагрузки, противодавление паровой турбины, вид тепловой схемы мини-ТЭЦ, параметры пара на входе в турбину. Ниже приводятся зависимости максимальной электрической мощности мини-ТЭЦ на единицу отпускаемой тепловой мощности (далее удельная электрическая мощность), МВт(э)/МВт(т) в зависимости от противодавления турбины для различных тепловых схем мини-ТЭЦ и разных значений параметров пара на входе в турбину.

Для диапазона единичной мощности турбоустановок 0,5-12 МВт принимались следующие средние значения внутреннего КПД проточной части турбины, механического КПД привода , КПД электрогенератора . Нижний предел противодавления турбины определялся предельным значением степени влажности насыщенного пара на выходе из турбины величиной 15%.

Открытые системы теплоснабжения, выработка электроэнергии на базе нагрузки ГВС

Котельные с атмосферными деаэраторами. В схеме № 1 (рис. 1а) пар после турбины 2 направляется в теплообменники (ТО) подогрева подпиточной воды 9 и в деаэраторы подпиточной воды 5, используемые в котельной до ввода в работу мини-ТЭЦ. Расчетное абсолютное давление пара для ТО котельной равно 0,7 МПа, абсолютное давление пара на входе в деаэраторы не ниже 0,12 МПа. Подогрев подпиточной воды в зимних условиях в котельной до ввода в работу мини-ТЭЦ от 5 до 42 ^ОС происходит в охладителях деаэрированной воды (ОДВ) 7, от 42 до 70 ^ОС - в пароводяных подогревателях котельной 9, от 70 до 104 ^ОС - в подпиточных деаэраторах 5. При вводе в работу паровой турбоустановки пар в пароводяные ТО и в деаэраторы поступает с выхлопа турбины. При снижении противодавления турбины менее 0,7 МПа температурный напор в пароводяных ТО падает, тепловая мощность и расход пара уменьшаются. Соответственно увеличивается расход пара на деаэраторы, перераспределяется нагрев подпиточной воды между ТО и деаэраторами. Для атмосферных деаэраторов в соответствии с ГОСТ 16860-88 «Деаэраторы термические» подогрев деаэрируемой воды в атмосферном деаэраторе при изменении его нагрузки от 30 до 120% составляет от 10 до 40 ^ОС. При 100% нагрузке номинальный нагрев воды в деаэраторе равен 34 ^ОС.

Зависимости удельной электрической мощности от абсолютного противодавления турбины приводятся на рис. 2 для наиболее распространенных начальных параметров свежего пара: абсолютном давлении 1,3 МПа, температуре 191 ^ОС; 1,3 МПа, 250 ^ОС; 2,3 МПа, 250 ^ОС; 3,4 МПа, 435 ^ОС.

После ввода в работу мини-ТЭЦ тепловая мощность пароводяных ТО котельной при противодавлении турбины 0,12 МПа падает в 1,9 раза, нагрев воды в них снижается с 28 до 14 ^ОС, соответственно нагрев воды в деаэраторах возрастает с 34 до 48 ^ОС. Исходя из основной характеристики деаэратора [2], при его работе на нагрузке, близкой к номинальной, в деаэраторе можно допустить нагрев воды до 48 ^ОС с обеспечением нормативного качества деаэрации.

Возможна реконструкция теплообменной группы котельной с увеличением поверхности теплообмена, исходя из сохранения величины подогрева подпиточной воды в пароводяных ТО на уровне 28 ^ОС и в деаэраторах на уровне 34 ^ОС. Максимальное увеличение поверхности теплообмена в 2,2 раза независимо от начальных параметров пара имеет место при противодавлении 0,12 МПа. Повышение температуры подпиточной воды на выходе из теплообменной группы до 95 ^ОС приведет к перераспределению потоков пара между деаэратором и подогревателями и слабо изменит расход свежего пара через турбину и электрическую мощность мини-ТЭЦ. Поэтому при реконструкции теплообменной группы целесообразно сохранить подогрев подпиточной воды на уровне 28 ^ОС. Соответствующие зависимости удельной электрической мощности от противодавления приведены на рис. 3.

Реконструкция пароводяных подогревателей котельной приводит к слабому повышению расхода свежего пара через турбину и электрической мощности мини-ТЭЦ, достигающему 4%, что обусловлено увеличением расхода пара через подогреватели. Приведенные зависимости на рис. 3 справедливы также для варианта установки пароводяных ТО в машзале при выводе из работы подогревателей котельной и подаче пара с выхлопа турбины на ТО машзала и деаэраторы.

Аналогичные зависимости приведены на рис. 4 и 5 для тепловых схем № 2 (рис. 1 б) и № 3 (рис. 1 в) с применением пароводяных ТО в машзале мини-ТЭЦ. В этих схемах отсутствует подача пара с выхлопа турбины на деаэраторы, что обычно обусловлено трудностями трассировки паропроводов значительного диаметра в условиях существующих котельных. Паропроводы пара с выхлопа турбины в этом случае имеют минимальную протяженность, т.к. пароводяные ТО машзала располагаются вблизи турбоагрегата.

Для схемы № 2 температура воды на входе в подогреватель машзала 9 определяется необходимостью охлаждения деаэрированной воды от 104 до 70 ^ОС в ОДВ 7 и равна 42 ОС. Температура воды на выходе из подогревателя может быть выбрана в пределах от 70 до 95 ^ОС. В диапазоне противодавлений 0,12-0,7 МПа при изменении температуры воды на выходе из подогревателя от 70 до 95 ^ОС электрическая мощность возрастает практически в 2 раза независимо от начальных параметров пара, площадь поверхности подогревателя увеличивается в 3,4-2,4 раза.

При реализации мини-ТЭЦ по схеме № 3 на ОДВ котельной 7 поступает поток подпиточной воды, подогретой в ТО машзала 9. В связи с этим ОДВ котельной необходимо реконструировать. Температура подпиточной воды, поступающей в деаэраторы, на выходе из ОДВ может находиться в пределах 70-95 ^ОС, на входе в ОДВ определяется необходимостью охлаждения деаэрированной воды и составляет 33-60 ^ОС. При повышении температуры воды на выходе из ОДВ до 70-95 ^ОС, площадь его поверхности должна быть увеличена в 1,8-6,4 раза по отношению к площади поверхности ОДВ котельной. При изменении температуры воды на выходе из ОДВ от 70 до 95 ^ОС электрическая мощность мини-ТЭЦ возрастает в 2 раза независимо от начальных параметров пара и величины противодавления турбины.

Для схем № 2 и № 3 возможно снижение абсолютного противодавления до 0,04 МПа (температура пара 75,9 ^ОС, ухудшенный вакуум, степень сухости пара на выходе из турбины более 0,85). В этом случае необходимо использовать эжекторы для отсоса паровоздушной смеси из ТО и подавать пар в деаэраторы от парового коллектора котельной через редуцирующие устройства. При низком противодавлении турбины температура воды на выходе из подогревателя ограничена значением температуры конденсации пара с учетом минимального температурного напора, принятого равным 5 ^ОС. Для схемы № 2 при обеспечении максимально возможного нагрева воды в ТО машзала имеет место максимум электрической мощности при абсолютном противодавлении 0,1 МПа, что объясняется перераспределением расхода пара между ТО машзала и деаэратором при низком противодавлении. Оптимальное противодавление определяется давлением насыщения, соответствующим температуре подпиточной воды на выходе из подогревателя машзала с учетом минимального температурного напора в ТО, принятого в расчетах равным 5 ^ОС.

Сравнение схем № 1-3 показывает, что в диапазоне противодавлений 0,12-0,7 МПа максимальная удельная электрическая мощность обеспечивается схемой № 1 при проведении реконструкции пароводяных ТО котельной. Величина удельной электрической мощности в зависимости от противодавления изменяется от 0,128 до 0,037 МВт(э)/МВт(т) при начальных параметрах пара 1,3 МПа, 191 ^ОС и от 0,209 до 0,116 МВт(э)/МВт(т) при начальных параметрах пара 3,4 МПа, 435 ^ОС. Уменьшение электрической мощности в схемах № 2 и № 3 в сравнении со схемой № 1 составляет не более 10% при подаче подпиточной воды в деаэраторы при температуре 95 ^ОС и около 50% - при температуре 70 ОС. В диапазоне противодавлений 0,04-0,12 МПа максимальная электрическая мощность обеспечивается схемой № 3 при проведении глубокой реконструкции ОДВ котельной с увеличением площади поверхности теплообмена в 6,4 раза.

Котельные с вакуумными деаэраторами. В котельных с вакуумными деаэраторами в соответствии с ГОСТ 16860-88 подогрев деаэрируемой воды в вакуумном деаэраторе при изменении нагрузки от 30 до 120% должен составлять от 15 до 25 ^ОС. При нагрузке деаэратора 100% нагрев воды в деаэраторе равен 20 ^ОС. Подогрев подпиточной воды в зимних условиях до ввода в работу мини-ТЭЦ происходит от 5 до 50 ^ОС за счет смешения с греющим потоком деаэрированной воды, подогретой в теплообмен-ном оборудовании котельной до 130-150 ^ОС. При наличии химводоподготовки подпиточной воды ее подогрев производится в 2 этапа: от 5 до 20-30 ^ОС в рекуперативных подогревателях и далее до 50-60 ^ОС за счет смешения с греющим потоком.

При вводе в работу паровой турбоустановки (рис. 1г) подогрев исходной водопроводной воды до температуры 50 ОС производится в пароводяных ТО машзала 9. В связи с этим существенно снижается «паразитный» циркуляционный поток, с помощью которого готовится греющий поток деаэрированной воды в системе приготовления подпиточной воды котельной. Зависимости удельной электрической мощности от противодавления турбины с учетом начальных параметров пара приводятся на рис. 6. Вырабатываемая электрическая мощность для схемы с вакуумными деаэраторами ниже в сравнении со схемами с атмосферными деаэраторами приблизительно на 25%. Конкуренция схемы № 4 со схемами № 1 -3 возможна лишь при температуре подпиточной воды, подаваемой в атмосферные деаэраторы, равной 70-85 ^ОС.

Закрытые системы теплоснабжения, выработка электроэнергии на базе общей тепловой нагрузки

тепловой нагрузка паровой турбина

В схеме мини-ТЭЦ закрытой системы теплоснабжения при последовательном соединении пароводяных подогревателей машзала 6 и подогревателей сетевой воды котельной 7 (водогрейных котлов, пароводяных сетевых подогревателей) электрическая мощность зависит от температурного графика регулирования отопительной нагрузки (рис. 7а). Зависимости удельной электрической мощности от противодавления для различных температурных графиков регулирования и начальных параметров пара приведены на рис. 8. Для каждого температурного графика имеет место максимум электрической мощности, величина которого тем больше, чем меньше расчетная температура в подающей линии сети.

Для всех рассмотренных температурных графиков, кроме графика 150-70 ^ОС, оптимальное противодавление достаточно точно определяется давлением насыщения, соответствующим температуре в подающей линии сети, с учетом минимального температурного напора, принятого в расчетах равным 5 ^ОС. Оптимальные значения противодавления увеличиваются с повышением температуры в подающей линии сети. Наибольшее значение электрической мощности достигается для температурного графика 95-70 ^ОС при противодавлении 0,1 МПа. Для начальных параметров пара 1,3 МПа, 191 ^ОС его величина равна 0,15 МВт(э)/МВт(т), при начальных параметрах пара 3,4 МПа, 435 ^ОС 0,24 МВт(э)/МВт(т). Следует отметить, что температурный график 95-70 ^ОС при определенных условиях, определяемых гидравлическим режимом работы сети, может быть реализован при подключении ТО машзала перед сетевыми насосами котельной в соответствии со схемой № 5 (рис. 7а) [1]. В связи с ограничением температуры воды на линии всасывания сетевых насосов при вводе в работу мини-ТЭЦ более высокие температурные графики можно обеспечить только при включении ТО машзала в линию нагнетания сетевых насосов.

При параллельном присоединении по сетевой воде ТО машзала 6 и подогревателей котельной 7 расчетный температурный график 150-70 ^ОС не может быть обеспечен при использовании подогревателей машзала в большей части выбранного диапазона противодавлений. В связи с понижением расхода сетевой воды в котельной часть котлов должна быть отключена. Зависимости удельной электрической мощности для схемы № 6 (рис. 7б) приведены на рис. 9. В сравнении со схемой № 5 электрическая мощность меньше в области низких противодавлений. Величина максимальной электрической мощности практически такая же, как и для схемы № 5, значения оптимальных противодавлений несколько выше, особенно при высоких температурах в подающей линии сети. Это связано с параллельным присоединением котлов к подогревателям машзала.

В приведенных выше графических материалах определена максимальная электрическая мощность, которую можно генерировать для рассмотренных схем мини-ТЭЦ, в рамках допущений, сделанных в начале статьи. В котельных тепловой мощностью до 10 МВт применяются паровые машины объемного типа ПРОМ и ПВМ при низких параметрах пара (1,3 МПа, 191-250 ^ОС), для тепловой мощности более 10 МВт - паровые противодавленческие турбогенераторы блочного типа и турбины противодавленческие на низкие и средние параметры пара.

Для паровых машин объемного типа внутренний КПД равен 50-55%, для блочных турбоагрегатов - 67-78%, для противодавленческих паровых турбин на средние параметры пара -70-80%. Уточненные значения характеристик эффективности агрегатов выбранного типа и уровня мощности позволяют произвести корректировку определенных выше значений электрической мощности.

При определении площади поверхности теплообмена коэффициент теплопередачи принимался равным 3000 Вт/м². К, что характерно для кожухотрубных ТО типа «ПП». В расчетах охлаждение конденсата не учитывалось. Учет изменения типа ТО и коэффициента теплопередачи приведет к уточнению площади поверхности теплообмена.

Следует иметь в виду, что температурные графики регулирования 150-70 ОС и 130-70 ^ОС и средние параметры пара для котельных с малой тепловой нагрузкой применяется редко.

Доля тепловой нагрузки ГВС в общей нагрузке котельной принималась равной 25% в соответствии со структурой тепловых нагрузок, приведенной в [3].

Схемы № 1-4 можно комбинировать со схемами № 5 и № 6, обеспечивая выработку электроэнергии на всех видах тепловой нагрузки, отпускаемой потребителям. Суммарная электрическая мощность, выработанная на базе общей тепловой нагрузки открытой системы теплоснабжения, зависит от доли нагрузки ГВС и с ее увеличением возрастает. Следует иметь в виду, что в водогрейных котельных, имеющих паровую часть, электрическая мощность мини-ТЭЦ ограничивается паровой производительностью котельной.

Выводы

Определенные в настоящей статье максимальные электрические мощности позволяют произвести оптимальный выбор схемы мини-ТЭЦ, исходя из тепловой схемы и оборудования котельной, и являются масштабом, на который можно ориентироваться при выборе электрической мощности мини-ТЭЦ. Величина устанавливаемой электрической мощности для выбранной схемы мини-ТЭЦ зависит от тепловой нагрузки котельной, желательной степени загрузки турбоагрегатов в течение года и определяется в технико-экономических расчетах с учетом цен на топливо и тарифов на энергоносители.

Литература

1. Петрущенков В.А., Васькин В.В. Тепловые схемы мини-ТЭЦ на базе противодавленческих паровых турбин, применяемые в рабочих проектах // Новости теплоснабжения, №8, 2004. С. 22-26.

2. Оликер И. И., Пермяков В.А. Термическая деаэрация воды на тепловых электростанциях. ЛО «Энергия», 1971, 184 с.

3. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. - 6-е изд., перераб. М.: Издательство МЭИ, 1999. 472 с.

Размещено на Allbest.ru