Гайдук
Дмитрий
Евгеньевич
email: dykis@list.ru
ICQ: 339-611-243
АВТОРЕФЕРАТ*
ТЕМА
Влияние условий подачи смеси топливных газов на характеристики и режим работы парогазовой установки комбинированного цикла.
ЦЕЛЬ
Усовершенствовать предлагаемую технологию утилизации отходящих газов металлургического производства ОАО «АМК», определить, как влияют условия подачи и характеристики смеси топливных газов на конечные параметры работы ПГУ, разработать программу утилизации отходящих газов металлургического производства в ПГУ при изменении условий и характеристик их подачи.
ЗАДАЧИ
- Провести анализ существующих в стране и за рубежом разработок и исследований по данной теме
- Проанализировать параметры, характеристики, особенности конструкции и режима работы данной парогазовой установки.
- Исследовать характеристики источников подаваемого топлива, условия и режимы его подачи.
- Провести расчет изменения характеристик смеси подаваемых топливных газов в зависимости от условий подачи
- Провести тепловой поверочный расчет установки
- Разработать программу зависимости конечных параметров установки от условий подачи и характеристик топливной смеси
АКТУАЛЬНОСТЬ И МОТИВАЦИЯ
Прогресс в теплоэнергетике связывают с повышением эффективности, экологичности, снижением материало- и капиталоемкости, повышением надежности и эксплуатационных свойств энергетических установок тепловых электростанций. Одно из главных направлений в решении этих задач – внедрение в энергетику комбинированных парогазовых установок (ПГУ).
Парогазовая технология в последние два десятилетия стала самой популярной в мировой энергетике, и на нее приходится до двух третей всех вводимых сегодня на планете генерирующих мощностей. Это обусловлено тем, что в парогазовых установках энергия сжигаемого топлива используется в бинарном цикле — сначала в газовой турбине, а потом в паровой, а потому ПГУ эффективнее любых тепловых станций (ТЭС), работающих только в паровом цикле.
Другое важное преимущество ПГУ в том, что на их строительство требуются значительно меньшие капитальные вложения, чем на строительство ТЭС других типов. К тому же такие энергоблоки можно пускать поэтапно — сначала газотурбинную часть, а потом уже достраивать паровой «придаток».
Перспективным планом технической модернизации Алчевского металлургического комбината (АМК) предусматривается строительство и ввод в эксплуатацию парогазовой электростанции (ПГЭС) общей мощностью 303 МВт в составе двух парогазовых установок (ПГУ) единичной мощностью 151,5 МВт каждая компании «Mitsubishi» (Япония). Эти парогазовые установки в качестве топлива используют горючие металлургические газы: доменный, конвертерный и коксовый газы.
При проектировании необходимо было решить комплекс задач взаимосвязи источников топливных газов, которые характеризуются значительной нестабильностью производства (выхода) топливных газов в соответствии с особенностями технологических процессов в черной металлургии, и потребителя, который имеет определенные требованиями к стабильной поставке значительных объемов (расходов) топливных газов с заданной калорийностью, диапазоном и скоростью ее изменения. Для разрешения этих задач был принят ряд инновационных проектных и технических решений: использование газгольдеров, газоповысительных станций, газопроводов больших диаметров и запорно-регулирующей арматуры для них. Но использование данного оборудования не может полностью нивелировать изменение расходов топливных газов, источники которых характеризуются значительной нестабильностью их производства:
- для доменных печей как кратковременной и интенсивной пульсацией расхода доменного газа продолжительностью 5. 10 мин со скоростью изменения расхода газа до 5,0 тыс. нм3/мин, обусловленной технологическим процессом, так и более продолжительными скачками при замене фурм или проведении ремонтно-профилактических работ;
- для конвертеров возможно резкое увеличение вдвое выхода конвертерного газа в течение 12. 14 минут при одновременной продувке двух конвертеров или снижение общего часового выхода конвертерного газа вдвое при остановке одного из конвертеров для проведения ремонтно-профилактических работ, например, замены футеровки;
- для коксохимического производства характерна сравнительная стабильность выхода коксового газа и его характеристик.
ПРЕДПОЛАГАЕМАЯ НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Применение парогазовых установок для выработки электроэнергии в мировой практике известно давно. Особенность данной установки заключается в том, что она будет применена на металлургическом предприятии, где в качестве топлива предполагается использовать его вторичные ресурсы – низкокалорийные газы доменного, конвертерного и коксохимического производств. Для этой цели будут закуплены специальные установки ПГУ японской фирмы «MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD», которые для своей работы могут использовать низкокалорийный газ. Установки имеют высокий КПД, на уровне 44,6%.
Проект строительства парогазовой установки является уникальным не только для предприятия и города Алчевска, но и Украины в целом, по масштабу решаемых задач, своей новизне технических решений энергообеспечения, современным подходам к решению энергетических и экологических проблем крупного предприятия.
Научная новизна данной работы заключается в том, что будет произведен расчет тепловой схемы установки, расчет зависимости выходных параметров и режима работы установки от условий подачи и характеристик смеси топливных газов, разработана программа моделирования и автоматического процесса этих расчетов.
ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ПО ТЕМЕ
Во всем мире прогресс в теплоэнергетике связывают с решением задач по повышению эффективности, экологичности, снижению материало- и капиталоемкости, повышению надежности и эксплуатационных свойств энергетических установок тепловых электростанций.
Одним из признанных направлений по реализации поставленных задач является широкое внедрение в энергетику комбинированных парогазовых установок (ПГУ). В энергетическом секторе, использующем в качестве топлива природный газ или жидкое топливо, приоритет использования парогазовых установок хорошо известен.
Идея создания парогазовых установок, использующих в качестве рабочих тел продукты сгорания топлива и водяной пар (бинарные установки), впервые была высказана французским ученым Карно еще в 1824 г в его работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Карно предложил схему поршневой парогазовой установки и обосновал основное условие создания эффективных парогазовых установок — использование продуктов сгорания топлива в качестве рабочего тела в области высоких температур с одновременной утилизацией отбросного тепла газов для получения рабочего пара. По мере развития паровых и газовых турбин оказалось возможным практическое осуществление этой идеи гениального ученого, более чем на столетие вперед определившего основные пути развития парогазовых тепловых двигателей.
Первые бинарные парогазовые установки появились в Германии. В 1913 - 1917 Хольцварт осуществил ПГУ на базе ГТУ с пульсирующей камерой сгорания. КПД её не превышал 14%.
В 1932 г. фирма «Броун-Бовери» разработали высоконапорный парогенератор «Велокс» в топку которого воздух подавался осевым компрессором, приводом которого служила осевая газовая турбина
В сочетании «Велокса» с паровой турбиной получалась парогазовая
установка с нулевой выработкой полезной мощности газовой турбиной.
В России исследования
комбинированных термодинамических циклов выполнены в ЦКТИ 1934 — 1940 гг. и
продолжены в послевоенные годы.
В 1944—1945 гг. в ЦКТИ А. Н.
Ложкин разработал схему парогазовой установки со сгоранием топлива при
постоянном давлении (рис. 3а). Теоретические основы комбинированного
парогазового цикла с высоконапорным парогенератором (ПГУ с ВПГ) были
рассмотрены в работах ЦКТИ (А.Н. Ложкин, А.Э. Гельтман),
что позволило повысить эффективность установки за счет параллельного с регенеративной
системой паровых турбин подогрева питательной воды. В этот период были разработаны основные
принципы комбинирования паровых и газовых турбин, проведен термодинамический
анализ парогазовых циклов, выполнено сравнение различных комбинированных схем и
выявлено преимущество установок с высоконапорными парогенераторами по сравнению
с ПГУ сбросного типа (с низконапорными парогенераторами) и с
котлами-утилизаторами.
Это преимущество заключается
прежде всего в значительном снижении металловложений
в высоконапорные парогенераторы по сравнению с котлоагрегатами
обычного типа. Кроме того, парогазовые установки с высоконапорными
парогенераторами обеспечивают большую экономию топлива как по сравнению с
парогазовыми установками других типов, так и по сравнению с раздельными
паротурбинными и газотурбинными установками. Это справедливо для ПГУ на базе
газовых турбин с начальной температурой газов перед ними до 950÷1 000
˚С.
Начатые в ЦКТИ
термодинамические исследования циклов ПГУ получили развитие в работах Одесского
политехнического института (под руководством проф. Д,П. Гохштейна),
Саратовского политехнического института (под руководством проф. А.И.
Андрющенко), Ленинградского политехнического института (под руководством проф.
И.И, Кириллова и В.А. Зысина), ЭНИНа, ВТИ и др.
На базе разработанных ЦКТИ
схем и основного нестандартного оборудования парогазовых установок в Советском
союзе были построены и введены в эксплуатацию парогазовые установки:
- 1963г., Ленинград, Первая ЛенГЭС, ПГУ с ВПГ - 6,5 мощностью 6,5 МВт (ηпгу =29,1%) на базе ГТУ-1,5 с начальной температурой газов 720оС;
- 1966÷1970, Ленинград, Блок-ТЭЦ №6, 3 блока ПГУ с ВПГ мощностью 16,5МВт, (η = 35,5) на базе ГТ-700-4-1М с начальной температурой газов 700оС;
- 1972г , Невинномысск, Невинномысская ГРЭС, ПГУ с ВПГ мощностью 200МВт, (η = 43%) на базе ГТ-35 с начальной температурой газов 770оС производства Харьковского турбинного завода (принципиальная схема ПГУ на рис. 5).
Годовая наработка блока
ПГУ-200 мощностью 200 МВт с ВПГ на параметры пара 13 МПа, 545/560°С на
Невинномысской достигла - 7940 час.
В период 1983-1885 г. его
наработка на отказ составила 1132-1427 час. против 1070-1140 час у блоков ПСУ с
турбинами К-300-240 и 654-885 час. - с турбинами К-800-240.
При проектной температуре
газов перед газовой турбиной 770°С и одинаковых в ПГУ и в ПСУ паровых
турбинах K-I60-I30 в условиях эксплуатации ПГУ-200 получено сокращение
по
сравнению с ПСУ:
- — по расходу топлива - 8%;
- — по металлоемкости ВПГ - 2.5 раза;
- — по удельным капзатратам - на 8%.;
1982г, Молдавская ГРЭС, ПГУ
с НПГ мощностью 250МВт, (ηпгу =42%) на базе
ГТ-35 с начальной температурой газов 770оС, принципиальная схема на рис. 6.
Годовая наработка блоков составляет 7460 часов. Блоки работают в переменной
части графика электрических нагрузок с остановом газотурбинных агрегатов
ГТ-35-770 и разгрузкой паровых турбин К-210-130 до 40% от полной мощности на ночь.
Отработаны режимы автоматического пуска ГТА и их подключения к действующим
паровым котлам после ночного останова. Среднеэксплуатационное снижение
удельного расхода топлива по сравнению с ПСУ составляет 3-5%
1996г., ОПКС "Грязовец", ПГУ с КУ мощностью 35 МВт, (η =37,4), на базе ГТН-25 с начальной температурой
газов 770оС, принципиальная схема на рис. 7;
1997 г. Несмотря на критику
принятых решений по надстройке блока с турбиной Т-250 на Южной ТЭЦ С-Петербурга
газотурбинной установкой GT-8C,
проект был реализован. Для реконструкции этого энергоблока у концерна АВВ была
приобретена газотурбинная установка GT-8C, которая обеспечивает около 50% окислителя, необходимого для
работы котла с номинальной паропроизводительностью.
Остальные 50% подает дутьевой вентилятор.
Авторами проекта разработана
необычная схема, основная особенность которой состоит в том, что
охлаждение уходящих газов котла осуществляют не в газоводяных
теплообменниках, а в сохраняемом в схеме ПГУ вращающемся регенеративном
воздухоподогревателе (РВП) с помощью избыточного воздуха. Последний выполняет
роль промежуточного теплоносителя, передающего тепло уходящих газов котла подпиточной или сетевой воде. Данная схема имеет очень сложную систему газовоздухопроводов большого сечения и шиберов, плотность
которых недостаточна. Для схемы характерны также неизбежные перетечки
в РВП (до 20%), а также отсутствие вытеснения регенерации паровой турбины.
Поэтому такая реконструкция паротурбинных энергоблоков путем надстройки газовой
турбинной привела к снижению надежности работы установки и к значительным
дополнительным потерям тепла. Как показали испытания, парогазовый блок вместо
проектного прироста КПД на 1-1,5% обеспечивает ту же экономичность, что
паросиловой блок до реконструкции. При использовании рациональной схемы прирост
КПД составил бы 2-3% абс. Таким образом, парогазовый
блок Южной ТЭЦ Санкт-Петербурга представляет собой, с
точки зрения реализации парогазовых технологий, скорее отрицательный пример.
В эти же годы выполнены проекты ПГУ с ВПГ и НПГ мощностью 250÷1000 МВт, включая и ПГУ с внутрицикловой газификацией топлива, предназначенные как для нового строительства, так и для модернизации действующих паросиловых блоков, выработавших ресурс. В эти же годы НПО ЦКТИ разрабатывает для Газпрома концепцию ведомственной электростанции мощностью 30÷100 МВт с использованием типов ГТУ, применяемых Газпромом, но в энергетическом варианте. Концепция основана на применении моно и дубль-блочных ПГУ с унифицированными по группам ГТУ котлами-утилизаторами и вспомогательным оборудованием.
РЕЗУЛЬТАТЫ, ИМЕЮЩИЕСЯ К МОМЕНТУ ЗАВЕРШЕНИЯ РАБОТЫ НАД АВТОРЕФЕРАТОМ
- Проведен анализ существующих в стране и за рубежом разработок и исследований по данной теме
- Проанализированы параметры, характеристики, особенности конструкции и режима работы данной парогазовой установки.
- Исследованы характеристики источников подаваемого топлива, условия и режимы его подачи.
- Выполнен расчет горения коксодоменной смеси по имеющимся данным о составах топлив, определен процентный состав смеси, выходные характеристики продуктов сгорания.
- Выполнен расчет горения смеси трех газов: коксового, конвертерного и доменного по имеющимся данным о составах топлив, определен процентный состав смеси, выходные характеристики продуктов сгорания.
- Смоделирован процесс изменения процентного состава, характеристик, расхода смеси трех газов: коксового, конвертерного и доменного, в зависимости от изменения доли каждого газа (нестабильности подачи) в смеси. Составлена таблица данных изменений и решений по возможности использования смеси данного состава для сжигания в камере сгорания парогазовой установки.
- Начат тепловой поверочный расчет. Рассчитаны температуры сгорания смеси трех газов: коксового, конвертерного и доменного в камере сгорания парогазовой установки.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
- Топливо и его сжигание :учеб. пособие для студентов металургических вузов /В.П. Линчевский.
- Ольховский Г.Г. Разработки перспективных энергетических ГТУ // Теплоэнергетика. 1996. №4 С. 66-75.
- Канаев А.А., Крнеев М.И. Парогазовые установки. Конструкции и расчеты. Л., "Машиностроение", 1974, 240с.
- http://www.combienergy.ru/stat900.html
Научно-техническая конференция «Энергетическое машиностроение России – новые решения»
Петреня Ю.К., д. ф - м. наук (ОАО "НПО "ЦКТИ")