Размещено на http://www.allbest.ru/

К вопросу использования ГТУ в водогрейных и паровых котельных

Е.Н. Бухаркин

Технико-экономическое сопоставление схем с раздельной и совместной выработкой электрической и тепловой энергии

В настоящее время признано, что развитие теплоэнергетики должно идти по пути внедрения газотурбинной технологии выработки электроэнергии [1]. Ввиду высоких тарифов на отпускаемую тепловую энергию от ТЭЦ РАО "ЕЭС России" многие промышленные предприятия предпочли построить собственные котельные и перейти на самообслуживание.

Также оправдано стремление ухода от дорогостоящего централизованного электроснабжения и переход на питание от собственных источников, которыми могут быть газотурбинные установки (ГТУ), выхлопные газы которых сбрасываются в котел и используются для выработки тепла. Расчеты показывают, что количество тепловой энергии, которое можно получить в такой установке, существенно больше количества электрической энергии, вырабатываемой газовой турбиной. Такое положение соответствует балансу тепловой и электрической энергии для большинства регионов РФ, имеющих значительную теплофикационную нагрузку (отопление и горячее водоснабжение) [3].

При рассмотрении комбинированной схемы (рис. 1) целесообразно задать, как наиболее естественные, такие расчетные условия, при которых за счет выхлопных продуктов сгорания (ПС) ГТУ в котле получается количество тепла, соответствующее постоянной круглогодичной нагрузке, к которой относится нагрузка ГВС, а также технологическая. Для водогрейных котлов, работающих в теплофикационном режиме, технологическая нагрузка обычно отсутствует и остается только нагрузка ГВС. При подключении в отопительный период нагрузки отопления увеличение производительности котла достигается сжиганием природного газа (ПГ) в горелках котла, которое целесообразно осуществлять за счет использования кислорода, содержащегося в выхлопных ПС. Наиболее рационально использовать тепло выхлопных ПС ГТУ, направляя их в котел.

При этом не требуется использование дутьевых вентиляторов, а также уменьшается избыток воздуха в ПС и потери тепла с уходящими газами.

Проведенными в [2] расчетами было установлено, что при сжигании ПГ в атмосфере выхлопных ПС ГТУ с полным использованием содержащегося в них кислорода возможно обеспечить суммарную теплофикационную нагрузку, соответствующую нормативному отношению электрический тепловой газотурбинный

Технико-экономическое сопоставление схем с раздельной выработкой электрической и тепловой энергии и с совместной их выработкой целесообразно выполнить на среднесезонную нагрузку отопления, учитывая, что она имеет наибольший удельный вес в потреблении тепла за отопительный сезон.

При расчетах нагрузка ГВС принята, как указано ранее из условия ее обеспечения выхлопными ПС без дополнительного сжигания ПГ в горелках котла. Соотношение среднесезонной нагрузки отопления и ГВС принято согласно нормативам для жилой застройки Qот/Qгвс=2. Принято, что в ночной период с 0 до 6 ч. нагрузка ГВС отсутствует. Продолжительность отопительного сезона -5000 ч. (условия г. Москвы), использования ГВС -8200 ч., электроэнергии круглогодично, т.е. 8760 ч, стоимость ПГ 1,0 руб./м 3, электроэнергии 0,7 руб. /кВт*ч.

Анализ результатов расчета, показывает:

1) Выработка электроэнергии на тепловом потреблении зависит от мощности ГТУ: при наиболее выгодном летнем режиме варьируя в пределах от 0,42 (мощность 2,5-4 МВт) до ~1,0 (мощность 16-25 МВт). В отопительный период при наиболее показательной среднесезонной отопительной нагрузке этот показатель существенно ниже и составляет в порядке увеличения мощности ГТУ от 2,5 до 25 МВт величину:

Выполненные расчеты относятся к режимам, в которых электрическая нагрузка ГТУ постоянна. Реальные условия отличаются тем, что в ночное время она снижается, причем для различных типов потребителей в разной степени.

Величина экономического эффекта от применения рассмотренной схемы напрямую зависит от количества отпущенной электроэнергии, поскольку выработка ее в ГТУ обходится дешевле, чем при заимствовании от наружной электросети.

Поэтому для расчета получаемой экономии необходимо определить количество вырабатываемой электроэнергии с учетом изменения ее в течение суток, а также времени года. В городских условиях, как правило, наибольшая доля потребления электроэнергии приходится на жилую застройку. Промышленность, а также общественные предприятия отличаются большим разнообразием характера суточного электропотребления, что должно учитываться при рассмотрении конкретных планировок обслуживаемой территории.

Результаты расчета основных статей затрат по раздельной и совместной схемам представлены в табл. 1.

При расчете количества электроэнергии учитывалась как часовая суточная неравномерность электронагрузки, так и ее помесячное изменение в течение года.

Как и в любой схеме, при данной существует неблагоприятный режим, при котором наблюдается наибольшее рассогласование электрической и тепловой нагрузок. Этот режим имеет место в ночной период при пиках теплофикационной нагрузки в январе-феврале, когда электрическая нагрузка снижается до величины 40% от номинальной. При этом уменьшается расход ПГ в камере сгорания ГТУ, а расход воздуха компрессором при обычном отсутствии направляющих аппаратов не только не уменьшается, но даже увеличивается по сравнению с номинальной нагрузкой. В результате температура ПС на входе (и выходе) турбины резко снижается, что требует увеличения расхода топлива в горелках котла. Как показали расчеты, получающийся увеличенный объем ПС (за счет увеличения производительности компрессора, а также увеличения расхода топлива в горелках котла) может при пропуске через газовый тракт котла превысить его паспортное аэродинамическое сопротивление.

Наиболее удобным способом нормализации положения явилась бы работа турбины с постоянной нагрузкой и передача избыточной мощности в ночное время в наружные электросети. Однако в настоящее время законодательной базы для осуществления этого мероприятия нет. В этих условиях возможно использование одного из двух способов нормализации положения:

1) подключение пикового котла,

2) искусственное увеличение электрической мощности турбины сверх необходимой по спросу с использованием избыточной мощности для подогрева теплофикационной воды. При втором способе, как показали расчеты, превышение мощности по отношению к необходимой невелико и малоощутимо сказывается на экономических показателях.

Особенность использования в котельных выхлопных продуктов сгорания

Особенностью использования в котельных выхлопных ПС ГТУ является то, что коренным образом меняются условия сжигания ПГ в горелках котла, поскольку объем выхлопных ПС, используемых для горения, резко отличается от объема воздуха.

По паспортным характеристикам отечественных ГТУ расчетом получены следующие значения отношения объемов ПС: при совместной работе с ГТУ и воздуха при автономной работе котла для наиболее характерных режимов (табл. 2).

Как видно, объем ПС в 6-7 раз превышает объем воздуха. Это объясняется повышенными коэффициентами избытка воздуха и температурами ПС.

Существующие горелочные устройства, предназначенные для автономной работы котлов, непригодны для использования выхлопных ПС ГТУ, и необходима их конструктивная переделка с увеличением проходного сечения для окислителя.

В настоящее время известны только единичные данные исследования специализированной горелки для сжигания ПГ в атмосфере выхлопных ПС ГТУ [5], конструкция которой резко отличается от типовых горелок котлов. Эти исследования не дали окончательных результатов. Поэтому до создания приемлемых конструкций горелок практически реальным решением в настоящее время является использование схемы (рис. 1б), при которой ПГ сжигается в существующих горелках с воздушным дутьем, а выхлопные ПС ГТУ сбрасываются в топку помимо горелок.

При расчете такой схемы необходимо помимо обычных соотношений теплового баланса дополнительно соблюдать условие равенства аэродинамических сопротивлений газового тракта в сравниваемых вариантах (автономной работы котла с паспортными характеристиками и при совместной с ГТУ работе котла). Необходимость привлечения аэродинамического условия обусловлена тем обстоятельством, что температура выхлопных ПС ГТУ существенно ниже, чем ПС получаемых от горелок котла. Поэтому единица объема ПС ГТУ передает в котле меньшее количество тепла по сравнению с ПС от горелок котла, требуя в то же время для пропуска газов через конвективные поверхности такого же размера проходного сечения.

Как показали расчеты (расчеты приведены в полной версии статьи, которая опубликована на www.rosteplo.ru - прим. ред.) различной относительной нагрузке отопления соответствуют следующие доли нагрузки:

Таким образом, при наиболее характерной среднесезонной нагрузке отопления возможная величина относительной нагрузки ГВС составляет ~ 0,12, что ниже нормативной доли, обычно составляющей 0,25-0,30.

При необходимости обеспечения нормативной нагрузки ГВС требуемая нагрузка не может быть выдержана. В этих условиях возможен один из двух вариантов: 1) один из котлов выделяется для работы в чисто утилизационном режиме с использованием выхлопных ПС для обеспечения нагрузки ГВС, остальные котлы используются для несения отопительной нагрузки; 2) нагрузка ГВС распределяется между всеми котлами котельной с расчетом, чтобы ее доля по отношению к нагрузке отопления находилась в допустимых пределах.

На рис. 2 показаны применительно к котлу мощностью Q=4 Гкал/ч зависимости:

1) расходов ПГ в горелках котла (Вк) и суммарного расхода ПГ в котле и камере сгорания ГТУ от относительной нагрузки ГВС

2) электрической мощности ГТУ,

3) суммарных годовых эксплуатационных затрат на ПГ и потребляемую электроэнергию от наружных электросетей в зависимости от расхода ПГ в ГТУ.

По выведенным соотношениям рассчитаны показатели использования схемы со сбросом выхлопных ПС в конвективный газоход применительно к выпускаемым в РФ ГТУ мощностью 2,5-16 МВт. Результаты расчета приведены в табл. 3.

Результаты расчета показывают, что для ГТУ наименьшей мощности 2,5 и 4 МВт срок окупаемости дорогостоящих капзатрат значителен и для этого диапазона мощности целесообразно вместо ГТУ использовать двигатели внутреннего сгорания ДВС [4].

Заключение

1) использование ГТУ в котельных с водогрейными и паровыми котлами дает экономическую выгоду в размере от 10 до 30% по сравнению с питанием от внешних электросетей РАО ЕЭС за счет более дешевой выработки электроэнергии от собственного источника;

2) для ГТУ мощностью от 2,5 до 25 МВт можно обеспечить максимальную теплофикационную нагрузку путем сжигания газа в горелках котла в среде выхлопных газов, однако реализация этой наиболее выгодной схемы требует конструктивной переделки существующих горелок, использующих воздушное дутье. Для существующих горелок достаточно эффективна менее совершенная схема со сбросом выхлопных газов в топку помимо горелок;

3) при заданной мощности котла нормативная нагрузка ГВС может быть обеспечена при выделении одного из котлов только на утилизационный режим с использованием только выхлопных ПС ГТУ или равномерным распределением выхлопных ПС на несколько котлов;

4) для единичной мощности менее 5 МВт целесообразно использовать газовые ДВС, которые при близких теплотехнических показателях отличаются от ГТУ большим моторесурсом.

Литература

1. Ольховский Г.Г. Газовые турбины для энергетики. // Теплоэнергетика, 2004. № 1.

2. Бухаркин Е.Н. Совместная выработка электрической и тепловой энергии в водогрейных и паровых котлах. // Промышленная энергетика, 2004. № 12, с. 44-47.

3. Особов В., Особов И. К выбору принципиальных схем ГТУ, для теплофикации. // Газотурбинные технологии, 2002, № 5.

4. Дубинин В.С., Лаврухин К.М. Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии в котельных. // Новости теплоснабжения, 2002. № 4, 5, 6.

5. Горбаненко А.Д., Морозов В.В., Тумановский А.Г. Горелочное устройство для котла-утилизатора ПГУ-800. // Теплоэнергетика, № 5, 1989 г., с. 54-56.

Размещено на Allbest.ru