Проблема утилизации теплоты уходящих газов газотурбинной установки ГТЭС-16ПА на Зауральской ТЭЦ г. Сибай

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОБЛЕМА УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ ГТЭС-16ПА НА ЗАУРАЛЬСКОЙ ТЭЦ Г. СИБАЙ

Габдуллина Э.Ф.

Уфимский государственный авиационный технический университет

E-mail: ruslanofthering@rambler.ru

В статье описывается Зауральская теплоэлектроцентраль (ТЭЦ), находящаяся в городе Сибай. Приведен состав ТЭЦ и мощности входящих в состав энергетических установок. Показана максимальная тепловая нагрузка в отопительный и летний период. Показана проблема утилизации теплоты уходящих газов. Для решения проблемы проведен патентный и литературный обзор. Представлены выводы.

Ключевые слова: ТЭЦ, Сибай, теплота, газотурбинная установка.

теплоэлектроцентраль утилизация теплота газ

The article describes the Zauralsk heat and power plant (CHP) located in the city of Sibai. The composition of the CHPP and the capacity of the power plants included in the composition is given. The maximum heat load in the heating and summer period is shown. The problem of utilization of heat of outgoing gases is shown. A patent and a literature review was carried out to solve the problem. The conclusions are presented.

Keywords: thermal power station, Sibay, heat, gas-turbine plant.

Зауральская ТЭЦ, находящаяся в городе Сибай, обеспечивает теплотой и электроэнергией район с населением порядка 100 тысяч человек. В состав ТЭЦ входит одна газотурбинная энергетическая установка ГТЭС-16ПА электрической мощностью 16 МВт с водогрейным котломутилизатором КУВ-24-114 мощностью 20,2 Гкал/ч производства пермского «Авиадвигателя», а также 6 газопоршневых агрегатов (ГПА) австрийской фирмы Jenbacher с тепловой и электрической мощностью 2,22 Гкал/ч и 2,7 МВт соответственно (на каждый) [1].

Максимальная тепловая нагрузка ТЭЦ в отопительный период составляет 108 Гкал/ч, при установленной мощности ТЭЦ в 140 Гкал/ч. В летний же период нагрузка на нужды ГВС не превышает 10 Гкал/ч, что меньше располагаемой мощности котла-утилизатора ГТУ в 2 раза [2].

Таким образом, на станции существует проблема утилизации теплоты уходящих газов. Коэффициент использования теплоты ГТУ уменьшается в летний период по сравнению с работой на расчетном режиме от 82,4% до 59,7%. Температуры уходящих газов достигают после котлаутилизатора в рассматриваемом режиме работе 295^ОС, после ГПА 441 ^ОС [3].

В целях поиска возможного решения существующей задачи был выполнен патентный и литературный обзор, выводы по которому будут приведены в настоящей статье. Ввиду достаточной известности схемы ПГУ, в данной работе она рассматриваться не будет, что, однако, не отменяет тот факт, что такая схема может оказаться наиболее предпочтительной при более детальном рассмотрении.

Использования тепловых насосов для решения поставленной задачи не является целесообразным, так как в результате их работы будет получена тепловая энергия более высокого потенциала, по сравнению с утилизируемой. Возможности использовать такую энергию каким-либо способом в летний период на Зауральской ТЭЦ нет [4].

В результате обзора патентов рассмотрены российские, а также зарубежные патенты за предыдущие десять-пятнадцать лет. Следует отметить, что большинство предлагаемых схем предполагают значительное изменение существующего оборудования, не предусмотренное заводом изготовителем (такие как установка дополнительного компрессора, вентилятора на валу турбины, установка нескольких камер сгорания и промежуточных теплообменников). В существующей структуре ТЭЦ применение таких схем неоправданно, их применение имеет смысл для вновь вводимых и проектируемых установок. Для целей утилизации теплоты уходящих газов на Зауральской ТЭЦ более целесообразно использовать надстройку дополнительного парового цикла на низкокипящем рабочем теле или водяном паре с применением котла-утилизатора, при необходимости снабженного дожиганием. Также возможно применение парогазового цикла с впрыском пара в газовую турбину и камеру сгорания. Варианты таких схем рассмотрены ниже.

Предполагаемая принципиальная схема для работы в неотопительный период показана на рисунке 1. Новым элементом, по отношению к типовой схеме, являются расширитель-сепаратор, в котором из перегретой в утилизаторе воды образуется пар, который подаётся в рубашку охлаждения камеры сгорания турбины, а вода циркуляционным насосом в смеси с подпиточной водой возвращается в утилизатор.

Давление в камере сгорания ГТЭС составляет 28...32 кгс/см². Давление воды в утилизаторе турбины насосом поддерживается больше давления пароводяной смеси в сепараторе пара. Вода в утилизаторе нагревается выше температуры насыщения при давлении в сепараторе. Давление в сепараторе с помощью дросселирующего органа поддерживается на уровне, обеспечивающем подачу пара из расширителя в рубашку камеры сгорания турбины. В сепараторе происходит вскипание перегретой воды. Пар поступает в турбину, а вода возвращается в утилизатор насосом.

В отопительный сезон насосом вода подаётся в отопительную сеть предприятия (на схеме это показано условно без соответствующего теплообменника сетевой воды), откуда, после охлаждения в системе отопления возвращается в утилизатор. Для обеспечения работы насосов температура воды перед ними снижается за счёт подмешивания химически очищенной воды [5].

Рисунок 1 - Вариант схемы для использования теплоты уходящих газов ГТУ (модернизированная с учетом ГПА схема из [5]) (ЦБН-центробежный насос, К-компрессор, ГТ-газовая турбина, Р-расширитель-сепаратор, ТУтеплоутилзатор, ХОВ-химически очищенная вода, КС-камера сгорания, ДТ-дымовая труба, ГПАблок из 3-х газопоршневых агрегатов, В Р-в расширитель-сепаратор)

Экономический эффект при такой схеме, по отношению к существующей, имеет место изза замещения части компрессорного воздуха для газовой турбины паром, полученным в сепараторе за счёт перегрева воды в утилизаторах турбины и ГПА.

Другой вариант использования утилизатора, с той же целью работы его в течении всего года, состоит в том, что, при отсутствии расширителя в рубашку камеры сгорания впрыскивается перегретая вода, полученная в утилизаторе.

Теплоутилизаторы используются для получения горячей воды под давлением, значительно превышающим давление в камере сгорания турбины. Это также позволит использовать теплоутилизатор в неотопительный сезон. Принципиальная схема такой утилизации тепла выхлопных газов показана на рисунке 2.

В сепараторе выделяется змеевик, рассчитанный на высокое давление воды (до 50 ати и выше), расположенный первым по ходу газов. Вода в него подается специальным высоконапорным малорасходным насосом. После ТУ перегретая вода впрыскивается в рубашку камеры сгорания, и, испарившись, совершает работу в газовой турбине.

В отопительный период утилизатор работает как для нужд отопления, так и для генерации впрыскиваемой в ГТУ перегретой воды.

Преимущество без сепараторной схемы по сравнению с использованием сепаратора пара в простоте реализации и меньших капитальных затратах. Недостаток в необходимости более сложной системы регулирования и защиты турбины в аварийном режиме [5].

Рисунок 2 - Вариант схемы для использования теплоты уходящих газов ГТУ (модернизированная с учетом ГПА схема из [5]) (обозначения аналогичны рисунку 1)

Рисунок 3 - Схема ПГУ-STIG [6]

(КВОУ-комплексное воздухоочистительно устройство; КС-камера сгорания; ТПК-турбина привода компрессора; СТ-силовая турбина; ПТ-паровая турбина; ТК-топливный компрессор; ПН - питательный насос; КУ-котел утилизатор; КК-контактный конденсатор)

Для модернизации ГТЭ возможно использование схемы ПГУ-STIG, которая изображена на рисунке 3. Ее основное отличие от бинарной состоит в отсутствии конденсационной паровой турбины с конденсатором и соответствующей системой охлаждения. Противодавленческая паровая турбина позволяет использовать для выработки электроэнергии больший перепад энтальпий выработанного в котле-утилизаторе (КУ) пара. Часть пара, подаваемого в КС после паровой турбины, через фронтовые устройства (горелки) вводится в зону горения для подавления образования оксидов азота, однако основная доля вводимого пара используется для охлаждения жаровой трубы КС и смешивается с продуктами сгорания уже по завершении процесса горения, обеспечивая расчетные среднюю температуру и поле скоростей на выходе КС. Кроме того, пар используется для охлаждения горячих венцов турбины вместо компримированного воздуха [6].

Тем не менее, несмотря на предполагаемые преимущества рассмотренных схем, необходимы существенные изменения для существующей схемы, а также детальное рассмотрение возможности впрыска воды в камеру сгорания, турбину, установки редуктора для съема мощности, подводимой к центробежному насосу, и других изменений в схеме, необходимости учесть новые условия работы материалов камеры сгорания и лопаток турбины.

Список литературы

1. Ф.Г. Бакиров, И.З. Полещук, А.Р. Хабиров. Расширение Зауральской ТЭЦ: энергетический и эксергетический анализ установленного и вводимого оборудования. // IV Слет молодых энергетиков Республики Башкортостан: Сборник докладов молодежной научнотехнической конференции - Уфа, Скиф, 2010

2. Инструкция по режиму работы и безопасному обслуживанию котла-утилизатора КУВ24-114- г.Сибай, 2012. -13 с.

3. Ф.Г.Бакиров, А.Р. Хабиров. Определение основных показателей тепловой экономичности газопоршневых электростанций // Научно-технические проблемы в области энергетики и энергосбережения. Сборник трудов - Уфа, УГАТУ, 2010

4. Р.Ш.Ганеев, Ф.Г.Бакиров. Применение тепловых насосов на ТЭЦ в теории и на практике. // Актуальные проблемы в науке и технике. Том 2. Машиностроение, электроника, приборостроение. Сборник трудов девятой Всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых - Уфа, УГАТУ, 2014. С.56-60

5. В.Л.Гудзюк, В.Е.Шолов. Возможная схема использования утилизатора газотурбинной установки [Электронный ресурс]. Научно-технический центр «Промышленная энергетика» URL: www.ivpromenergo.ru (дата обращения 02.09.2014)

6. Ю.С. Елисеев, В.Е. Беляев. ПГУ смешения: проблемы и перспективы. // Газотурбинные технологии. Специализированный информационно-аналитический журнал -2006 - №6.

Размещено на Allbest.ru