Регулирование режимов работы мини-ТЭЦ с противодавленческими турбинами при работе на отопительную нагрузку

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Проведено сравнительное исследование тепловых схем мини-ТЭЦ, создаваемых на базе существующих котельных, с точки зрения максимально возможной выработки электрической энергии противодавленческими паровыми турбинами. Основной тепловой нагрузкой, как правило, является нагрузка систем отопления и вентиляции, величина которой при изменении температуры наружного воздуха в течение отопительного периода меняется в 4-5 раз. Выбор мощности паровых турбин определяется необходимостью высокой загрузки турбоагрегатов в течение отопительного периода. В связи с этим обычно пароводяные подогреватели сетевой воды мини-ТЭЦ большую часть отопительного периода работают в базовом режиме при постоянной номинальной электрической мощности турбоагрегатов, при этом оборудование котельного зала обеспечивает пиковую часть сезонной тепловой нагрузки. Работа пароводяных подогревателей мини-ТЭЦ происходит при переменной температуре охлаждающей обратной сетевой воды в диапазоне 30-70С. Площадь поверхности теплообмена сетевых подогревателей мини-ТЭЦ рассчитывается для минимального температурного напора между паром и охлаждающей водой, соответствующего расчетной температуре наружного воздуха и максимальной температуре обратной сетевой воды, равной 70С. Очевидно, что неизменность электрической мощности мини-ТЭЦ при переменной температуре обратной сетевой воды может быть обеспечена только при проведении регулировочных мероприятий на мини-ТЭЦ. В настоящей статье исследуется работа мини-ТЭЦ на переменных режимах. Под переменным режимом понимается стационарная работа оборудования мини-ТЭЦ на режиме, отличном от расчетного.

Процесс передачи теплоты в теплообменной группе мини-ТЭЦ описывается системой уравнений теплопередачи и теплового баланса для пара и воды в виде:

а также системой уравнений для мощности турбоагрегатов:

На переменных режимах, в том числе и при перегрузке, принимается прямая пропорциональная зависимость мощности турбины от расхода пара через нее в виде Nэл=СGп. Такое допущение с высокой точностью справедливо при сопловом регулировании мощности турбины и с меньшей точностью - при дроссельном регулировании.

В соответствии с СП 41-101-95 «Проектирование тепловых пунктов» коэффициент теплопередачи k (Вт/м2.К) для пароводяных горизонтальных подогревателей тепловых сетей по ОСТ 108.271.105 определяется следующим образом:

Анализ приведенной системы уравнений в условиях постоянной электрической мощности и переменной температуры обратной сетевой воды показывает, что регулирование процесса конденсации пара можно производить с помощью следующих мероприятий, применяя их, как по отдельности, так и совместно: изменение расхода охлаждающей сетевой воды через теп-лообменную группу мини-ТЭЦ, изменение площади теплообмена за счет вывода из работы части теплообменников (ТО), изменение величины противодавления турбин.

В настоящей статье приводятся количественные характеристики каждого из названных способов регулирования при изменении температуры обратной сетевой воды в диапазоне 30-70С.

Изменение мощности мини-ТЭЦ в течение отопительного периода при отсутствии регулировочных мероприятий.

При работе без отключения ТО при снижении температуры обратной сетевой воды от 70 до 30С и расчетном нагреве 15С, независимо от схемы включения ТО по сетевой воде, должно произойти практически линейное возрастание мощности теплообменной группы, турбоагрегатов и расхода пара для противодавления 0,12 МПа до 184% от расчетного значения, для 0,2, 0,4 и 0,7 МПа аналогичные значения равны 153, 134 и 124% соответственно. Следует иметь в виду приближенность этих значений, особенно для низких противодавлений, в связи с приближенным характером линейной зависимости мощности турбин от расхода пара при значительном их изменении. Достижимые значения мощностей мини-ТЭЦ определяются способностью турбоагрегатов работать на нагрузках, превышающих номинальные значения.

Режимы работы при изменении расхода охлаждающей сетевой воды через теплообменную группу мини-ТЭЦ.

Реализация переменного расхода обратной сетевой воды через теплообменную группу мини-ТЭЦ при сохранении противодавления и площади теплообмена возможна при установке общей обводной регулировочной арматуры в параллель всей теплообменной группе, либо параллельно каждому ТО. Следует отметить, что при значительных диаметрах трубопроводов тепловой сети (порядка 400 мм и выше), числе подогревателей больше 2-х стоимость регулировочной арматуры во втором случае существенно ниже. Сравнение переменных режимов работы производится с базовым расчетным режимом, при котором температура обратной сетевой воды на входе в теплообменную группу 70С, на выходе 85С, что определяется допустимым значением температуры на входе в сетевые насосы (для широко распространенных сетевых насосов типа «К», «КМ» и «Д» предельная температура воды в зависимости от исполнения находится в пределах 85-105С).

Открытие регулирующей арматуры обвода изменяет расход сетевой воды в ц раз, Тогда условие сохранения электрической мощности при постоянном значении противодавления имеет вид:

турбоагрегат отопительный охлаждающий теплоэлектроцентраль

В уравнениях (4, 5) величины с индексом «р» соответствуют режиму работы на расчетном режиме (=70 °С, =15 ОС,wртр =1,5 м/с, =0 мм, соответствует давлениям 0,12, 0,2, 0,4 и 0,7 МПа), изменение коэффициента теплопередачи определяется в соответствии с (3).

На рис. 1 приведены значения относительного расхода сетевой воды в зависимости от температуры обратной сетевой воды для различных номинальных значений противодавления турбоагрегатов. Если на мини-ТЭЦ установлены турбоагрегаты с различным противодавлением, то для группы ТО каждого турбоагрегата необходимо организовывать обвод с регулированием расхода сетевой воды в соответствии с (5).

Тепловая мощность ТО и расход пара через них при таком способе регулирования режима работы остаются неизменными. В сравнении с расчетным режимом в зависимости от противодавления в диапазоне 0,12-0,7 МПа при температуре обратной сетевой воды 30 ОС расход сетевой воды составляет 33-56% от номинального значения, коэффициент теплопередачи уменьшается на 45-28%.

В зависимости от противодавления нагрев воды в ТО увеличивается с 15 до 46-27С (рис. 2). Это связано с тем, что в течение отопительного периода при неизменном количестве теплоты, передаваемом сетевой воде в теплооб-менной группе, ее расход снижается в 3-1,8 раза. При изменении значения расчетного нагрева сетевой воды в ТО от 10 до 25С для противодавления 0,12 МПа и температуры обратной воды 30С относительный расход сетевой воды составляет 31-39% от номинального значения (рис. 3). При наличии накипи на поверхности теплообмена толщиной 1 мм при номинальном нагреве сетевой воды 15 ОС, температуре обратной сетевой воды 30 ОС и противодавлении 0,12 МПа необходимый расход сетевой воды составляет 25% от его значения при температуре обратной сетевой воды 70 ОС, при этом коэффициент теплопередачи падает в 3,5 раза в сравнении с расчетным режимом.

Режимы работы при изменении количества работающих подогревателей.

Режимы работы подогревателей мини-ТЭЦ зависят от количества включенных ТО. С уменьшением температуры обратной сетевой воды возрастает тепловая мощность теплообменной группы, расход пара и электрическая мощность. В связи с этим при увеличении электрической мощности (расхода пара) в сравнении с номинальным значением на заданное количество процентов производится последовательное отключение подогревателей при неизменных общем расходе сетевой воды и противодавлении турбин. При этом предполагается, что турбогенераторы могут длительно работать на новых режимах.

При наиболее часто применяемом параллельном подключении подогревателей по сетевой воде отключение одного из них приводит к перераспределению расходов сетевой воды между остальными подогревателями. В результате происходит скачкообразное уменьшение общей площади поверхности теплообмена, мощности теплообменной группы, расхода пара и электрической мощности. При этом также скачкообразно увеличиваются тепловая мощность каждого подогревателя, коэффициент теплопередачи, нагрев сетевой воды.

Работа подогревателей при изменении температуры обратной сетевой воды описывается системой уравнений:

Перераспределение расходов сетевой воды на подогреватели увеличивает расход воды на каждый работающий подогреватель в n/(n-z) раз,. Изменение коэффициента теплопередачи определяется в соответствии с (3).

Температура обратной сетевой воды связана с увеличением тепловой мощности следующим образом:

Из (7) видно, что для конкретного количества установленных подогревателей значение температуры обратной сетевой воды, при котором производится отключение, зависит от значений расчетных температур на входе и выходе из подогревателя, числа оставшихся в работе подогревателей, противодавления турбин, допускаемого увеличения мощности мини-ТЭЦ. В расчетах условием отключения очередного подогревателя принималось увеличение мощности на 10% .Значения температур обратной сетевой воды, при которых должно осуществляться отключение подогревателей, для типичных значений противодавления турбин приведены в таблице (значения температур указаны с точностью до градуса).

При отключении (z+1)-го подогревателя электрическая мощность, тепловая мощность и расход пара на мини-ТЭЦ снижаются в соответствии с (6) при замене z на z+1 и температуре обратной сетевой воды, равной ее значению перед выключением подогревателя.

На рис. 4 показаны зависимости изменения электрической мощности турбоагрегатов для разного общего количества подогревателей мини-ТЭЦ при изменении температуры обратной сетевой воды и последовательном отключении ТО, параллельно соединенных по сетевой воде. Отключение последующего ТО приводит к большему падению тепловой мощности теплообменной группы и электрической мощности мини-ТЭЦ, чем предыдущего ТО. При меньшем противодавлении количество отключаемых ТО больше.

При этом скорость воды в трубках возрастает, существенно увеличиваются потери давления по сетевой воде в теплообменной группе. Например, при противодавлении 0,12 МПа, n=6 и n=4 скорость воды в трубках в исследованном диапазоне температур обратной сетевой воды возрастает от 1,5 до 4,5 и 6 м/с соответственно, что приведет к увеличению потерь давления на теплообменной группе в 9-16 раз. В этом случае можно рекомендовать выбор расчетного режима в ТО при скорости воды около 0,5 м/с.

При n=2 диапазон изменения расхода пара и мощности мини-ТЭЦ при отключении ТО составляет 45%, при противодавлении 0,12 МПа после отключения первого ТО мощность второго ТО при снижении температуры обратной сетевой воды до 30 ОС возрастает до 117% от номинального значения мощности теплообменной группы.

При n=4 и n=6 для противодавлений 0,2-0,7 МПа диапазон изменения тепловой и электрической мощности при регулировании отключением ТО уменьшается до 28%.

Таким образом, большее количество установленных ТО, как и следовало ожидать, позволяет производить более точную регулировку мощности мини-ТЭЦ при отсутствии обводной регулировочной арматуры по сетевой воде.

Для последовательной схемы соединения ТО мини-ТЭЦ по сетевой воде отключение ТО происходит при более низкой температуре сетевой воды, при отключении равного количества ТО наблюдается более значительное снижение тепловых и электрических мощностей в сравнении с параллельной схемой (рис. 5). В этом случае при отключении ТО скорость воды в трубках не изменяется.

Режимы работы при изменении противодавления турбин.

При понижении температуры обратной сетевой воды сохранение мощности турбоагрегатов возможно за счет изменения противодавления турбин. Очевидно, что возможности регулирования противодавления ограничены в связи с тем, что для большинства выпускаемых противодавленческих паровых турбин диапазон регулирования, рекомендуемый заводом-изготовителем, обычно не превышает 0,3 МПа.

Система уравнений в условиях постоянной электрической мощности, неизменных значений расхода сетевой воды и площади теплообмена для соплового регулирования турбин примет вид:

Решение системы уравнений (8) имеет вид несимметричных парабол в координатах p2, tоб для различных значений номинальных противодавлений (рис. 6). С изменением температуры обратной сетевой воды сохранение мощности турбоагрегатов возможно при проведении регулирования двумя способами: при увеличении противодавления, расхода пара и тепловой мощности теплообменной группы, либо при их уменьшении в соответствии с приведенными зависимостями. Один из этих способов регулирования сопровождается начальным скачком противодавления.

Например, для начальных параметров пара 1,3 МПа, 191 ОС (рис. 6а) и номинального противодавления 0,2 МПа после начального скачкообразного изменения противодавления до 0,29 МПа дальнейшее его увеличение до 0,55 МПа позволяет сохранить мощность паровых турбин при уменьшении температуры обратной сетевой воды от 70 до 30 ОС. Мощность теплообменной группы и расход пара в этом случае возрастают в 2 раза.

Сохранение мощности турбин возможно также за счет уменьшения противодавления от 0,2 до 0,016 МПа при уменьшении мощности теплообменной группы и расхода пара в 2 раза.

С учетом разрешенного диапазона изменения противодавления изменение температуры обратной сетевой воды от 70 до 45 ОС должно сопровождаться увеличением противодавления от 0,2 до 0,5 МПа, изменению температуры обратной сетевой воды от 70 до 61 ОС соответствует также уменьшение противодавления от 0,2 до 0,1 МПа. При значениях номинального противодавления 0,12 и 0,4 МПа диапазон изменения температуры обратной сетевой воды снижается до 3-5 ОС при падении противодавления до 0,1 МПа. Для номинального противодавления 0,7 МПа регулирование уменьшением противодавления невозможно, и, наоборот, для номинального противодавления 0,12 МПа невозможно регулирование увеличением противодавления. Для номинального противодавления 0,7 МПа увеличение давления за турбиной до 0,77 МПа сопровождает падение температуры обратной сетевой воды от 70 до 30С.

Повышение начальных параметров пара перед турбиной уменьшает возможности регулирования за счет изменения противодавления (рис. 6б).

Совместное применение регулирования изменением противодавления и отключением теплообменников.

Регулирование отключением подогревателей характеризуется резкими падениями электрической мощности, а, значит, и уменьшением возможной годовой выработки электроэнергии. Одновременное регулирование изменением противодавления турбин и отключением подогревателей в большинстве случаев позволяет сохранить значение электрической мощности на заданном уровне в течение отопительного периода.

С уменьшением температуры обратной сетевой воды противодавление изменяется плавно до своего предельного значения в соответствии с (8), затем одновременно с отключением (z+1)-го подогревателя происходит скачкообразное изменение противодавления в противоположную сторону в соответствии с (9) при сохранении значения температуры обратной воды:

На рис. 7 показан характер изменения противодавления турбин в диапазоне до 0,2 МПа при поддержании электрической мощности и отключении подогревателей в течение отопительного периода при n=4 для параметров свежего пара 1,3 МПа, 191 ОС, значений номинального противодавления 0,12 и 0,4 МПа. При уменьшении температуры обратной сетевой воды для номинального противодавления 0,12 МПа поддержание электрической мощности мини-ТЭЦ на заданном уровне при отключении ТО сопровождается увеличением противодавления, для 0,4 МПа - его снижением.

При номинальном противодавлении 0,12 МПа регулирование противодавлением происходит в значительной степени в области ухудшенного вакуума, что требует применения эжекторов для нормальной работы ТО.

В случае узкого разрешенного диапазона регулирования противодавления при использовании только рассматриваемых методов регулирования сохранение мощности турбоагрегатов невозможно. На практике могут быть реализованы различные варианты изменения мощности: например, при достижении предела регулирования противодавления с дальнейшим падением температуры обратной воды происходит возрастание электрической мощности при сохранении противодавления, пока не будет достигнута очередная ветвь с заданной номинальной мощностью, соответствующая меньшему количеству ТО, тогда ТО отключается и происходит возврат к номинальной мощности мини-ТЭЦ; либо при отключении очередного ТО на нижнем пределе регулирования противодавления происходит падение электрической мощности, поддержание ее нового значения при регулировании противодавлением и при определенной температуре обратной воды возврат к номинальному значению электрической мощности за счет скачкообразного изменения противодавления.

Выводы.

1. При использовании противодавленческих паровых турбин, работающих на базе отопительной нагрузки, для сохранения электрической мощности в течение отопительного периода необходимо проведение регулировочных мероприятий на мини-ТЭЦ. В их отсутствие при снижении температуры обратной сетевой воды от 70 до 30 ОС и расчетном нагреве 15 ОС, независимо от схемы включения ТО по сетевой воде, должно произойти практически линейное возрастание мощности теплообменной группы, турбоагрегатов и расхода пара для противодавления 0,12 МПа до 184% от расчетного значения, для 0,2, 0,4 и 0,7 МПа - до 153, 134 и 124% соответственно. Достижимые значения мощностей мини-ТЭЦ определяются способностью турбоагрегатов работать на нагрузках, превышающих номинальные значения.

2. Рассмотрены количественные характеристики различных способов регулирования работы теплообменной группы при сохранении электрической мощности мини-ТЭЦ: применения обводной регулировочной арматуры по сетевой воде параллельно ТО мини-ТЭЦ, отключения ТО, изменения противодавления турбин, совместного регулирования изменением противодавления и отключением ТО.

3. При использовании обводной регулировочной арматуры тепловая мощность ТО и расход пара через них остаются неизменными. В сравнении с расчетным режимом в зависимости от противодавления в диапазоне 0,12-0,7 МПа при температуре обратной сетевой воды 30 ОС нагрев воды в ТО увеличивается с 15 до 46-27 ОС, ее расход через них снижается в 3-1,8 раза.

4. Регулирование отключением ТО приводит к скачкообразному изменению мощности мини-ТЭЦ в заданных пределах. Большее количество установленных ТО позволяет производить более точную регулировку мощности мини-ТЭЦ при отсутствии обводной регулировочной арматуры по сетевой воде.

При числе установленных ТО n=2 диапазон изменения мощности теплообменной группы, турбоагрегатов и расхода пара составляет 45%, при n=4 и n=6 для противодавлений 0,2-0,7 МПа диапазон их изменения уменьшается до 28%.

Для последовательной схемы соединения ТО мини-ТЭЦ по сетевой воде отключение ТО происходит при более низкой температуре обратной сетевой воды, при отключении равного количества ТО наблюдается более значительное снижение тепловых и электрических мощностей в сравнении с параллельной схемой.

5. С изменением температуры обратной сетевой воды сохранение мощности турбоагрегатов возможно как при увеличении противодавления, расхода пара и тепловой мощности теплообменной группы, так и при их уменьшении. Рекомендуемый заводами-изготовителями турбин диапазон регулирования противодавления, обычно не превышающий 0,3 МПа, сильно ограничивает возможности регулирования работы мини-ТЭЦ за счет изменения противодавления.

6. Совместное регулирование изменением противодавления и количества работающих ТО в большинстве случаев позволяет сохранять на неизменном уровне электрическую мощность мини-ТЭЦ в течение отопительного периода.

Размещено на Allbest.ru