Влияние термодинамических параметров на КПД бинарных парогазовых установок

УДК 611.321                                                                                          О.В. Боруш

                           (НГТУ)

ВЛИЯНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА КПД БИНАРНЫХ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

В статье представлены результаты оптимизационных расчетов термодинамических параметров бинарных ПГУ.

В России одним из основных видов топлива для тепловых электростан­ций является природный газ. В обозримой перспективе доля его будет, по-видимому, снижаться, однако, абсолютное потребление электростанциями сохранится примерно постоянным и достаточно большим. По многим причинам – не всегда разумным – природный газ исполь­зуется недостаточно эффективно.

Существенно повысить эффективность использования газа можно при использовании газотурбинных и парогазовых техно­логий.

В настоящее время перспективным направлением развития энергетики является применение ресурсосберегающих технологий на базе парогазовых установок (ПГУ) с комбинированной выработкой электрической энергии и теплоты.

Из всех возможных вариантов использования ГТУ наиболее эффективными, главным образом в зависимости от коэффициента полезного действия (КПД) ГТУ и годового графика тепловой нагрузки обслуживаемого района, являются бинарные парогазовые установки (БПГУ), рис. 1. В таких установках осуществляется двойной термодинамический цикл: пар в котле-утилизаторе и работа паровой турбины производятся за счет тепла, подведенного в камере сгорания ГТУ и уже отработавшего в верхнем газотурбинном цикле, рис.2). КПД лучших современных парогазовых установок составляет 55 – 58% [1].

Следует отметить, что анализ прогнозных соотношений цен на уголь и газ позволяет сделать вывод о том, что в период до 2009 года наиболее эффективными для европейской части России будут оставаться традиционные ТЭС, работающие на газе. При этом рост цен на газ будет создавать все более жесткие предпосылки для внедрения новых технологий в теплоэнергетике. Учитывая это, возникает целесообразность исследования работы бинарных парогазовых установок не только для европейской территории страны, но и в условиях Сибири и изучения конкурентоспособности БПГУ, работающих на природном газе, по сравнению с ПТУ, работающих на твердом топливе, в условиях увеличения цен на топливо.

Рис. 2. Теоретический цикл ПГУ двух давлений в Т-S диаграмме: *, 1, 0, К, 0¢, К^* - характерные точки цикла; Т_вз, Т_ух, Т_пв, Т – температуры воздуха, уходящих газов, питательной воды, пара на теплофикационном отборе соответственно; DТ₀, DТ_н – венхний и нижний температурные напоры на котле-утилизаторе.

В то же время объединение двух силовых установок с разными рабочими телами приводит к необходимости проводить оптимизацию параметров энергоблока с точки зрения совместимости паровой и газовой частей энергоблока по термодинамическим и конструктивно-компановочным решениям.

В связи с этим в статье рассмотрено влияние термодинамических параметров на КПД БПГУ. С использованием методических подходов [2] были рассмотрены парогазовые установки различной мощностью и с разными параметрами паровой и газовой частей установки, табл. 1.

Таблица 1

Некоторые исходные параметры рассмотренных БПГУ

Nпгу, МВт	P0, МПа	t0, °C	Т0г , K	σ	aт	Dt0, °C	Dtн, °C	aн	Pн, МПа
70	12,16	394	1173	7,8	0,5	50	50	0,1	0,5
155	12,8	469	1443	12,3	0,5	50	50	0,1	0,5
179	12,8	383	1328	14,1	0,5	50	50	0,1	0,5

При проведении расчетов каждый из параметров изменяется при фиксированных значениях остальных. При этом установку в целом условно можно разделить на три силовых агрегата: ГТУ, часть ПТУ с высоким напором и часть ПТУ с низким напором, рис. 1. Наиболее значимые в термодинамическом плане параметры, характеризующие их работу – P₀; t₀; t_пв; Т_0г; σ; Dt₀; Dt_н; a_н; P_н, рис. 2. Оптимальное сочетание указанных взаимосвязанных параметров (наряду с обеспечением максимально высокого КПД) представляет особый интерес. Это важно не только при проектировании новых паросиловых установок для двух- и более контурных ПГУ, но и при выборе газотурбинной силовой установки.

На рис. 3 – 12 показаны зависимости коэффициента полезного действия от давления и температуры острого пара, температуры питательной воды и коэффициента теплофикации, от давления и доли пара в низконапорном контуре, от температурных напоров на “горячем” и “холодом концах” котла утилизатора.

Рис. 3. Зависимость КПД от температуры острого пара.

1 – Nпгу = 70 МВт, 2 – Nпгу =155 МВт,

3 – Nпгу = 179 МВт.

Следует отметить, что КПД бинарных ПГУ определяется по выражению:

,                                               (1)

где – мощность газотурбинной установки, МВт; – мощность паротурбинной установки, МВт;  – мощность, затрачиваемая на собственные нужды установки, МВт; – низшая рабочая теплота сгорания топлива, МДж/кг; B – расход толпива, кг/c.

При этом можно представить как

,                                                  (2)

где  – мощность части высокого давления паротурбиной установки;  – мощность части низкого давления паротурбиной установки.

Рациональное соотношение этих мощностей будет определяться тепловыми потоками отработавших в ГТУ газов в соответствующем контуре. А величина тепловых потоков определяет термодинамические параметры контуров и расходы теплоносителей в них, от которых зависит электрическая мощность силовой установки:

,                                                  (3)

где D – расход пара, кг/с; H – теплоперепад на паровой турбине, кДж/кг; , – механический КПД турбины и электирческого генератора соотвестственно.