Гайдук
Дмитро
Євгенович
email: dykis@list.ru
ICQ: 339-611-243
АВТОРЕФЕРАТ*
ТЕМА
Вплив умов подачі суміші паливних газів на характеристики і режим роботи парогазової установки комбінованого циклу.
ЦІЛЬ
Удосконалити запропоновану технологію утилізації газів металургійного виробництва ВАТ «АМК», визначити, як впливають умови подачі та характеристики суміші паливних газів на кінцеві параметри роботи ПГУ, розробити програму утилізації відхідних газів металургійного виробництва в ПГУ при зміні умов і характеристик їх подачі.
ЗАВДАННЯ
- Провести аналіз існуючих в країні і за кордоном розробок і досліджень з даної теми
- Проаналізувати параметри, характеристики, особливості конструкції та режиму роботи даної парогазової установки.
- Дослідити характеристики джерел палива, що подається , умови і режими його подачі.
- Провести розрахунок зміни характеристик суміші паливних газів в залежності від умов подачі
- Провести тепловий повірочних розрахунок установки
- Розробити програму залежності кінцевих параметрів установки від умов подання та характеристик паливної суміші
АКТУАЛЬНІСТЬ І МОТИВАЦІЯ
Прогрес у теплоенергетиці пов'язують з підвищенням ефективності, екологічності, зниженням матеріало-та капіталомісткий, підвищенням надійності та експлуатаційних властивостей енергетичних установок теплових електростанцій. Одне з головних напрямків у вирішенні цих завдань - впровадження в енергетику комбінованих парогазових установок (ПГУ).
Парогазовой технологія в останні два десятиліття стала найпопулярнішою у світовій енергетиці, і на неї припадає до двох третин всіх введених сьогодні на планеті генеруючих потужностей. Це зумовлено тим, що в парогазових установках енергія спалюємо палива використовується в бінарному циклі - спочатку в газової турбіни, а потім в паровою, а тому ПГУ ефективніше будь-яких теплових станцій (ТЕС), що працюють тільки в паровому циклі.
Інша важлива перевага ПГУ в тому, що на їхнє будівництво потрібні значно менші капітальні вкладення, ніж на будівництво ТЕС інших типів. До того ж такі енергоблоки можна пускати поетапно - спочатку газотурбінних частина, а потім вже добудовувати паровою «придаток».
Перспективним планом технічної модернізації Алчевського металургійного комбінату (АМК) передбачається будівництво і введення в експлуатацію парогазової електростанції (ПГЕС) загальною потужністю 303 МВт в складі двох парогазових установок (ПГУ) одиничною потужністю 151,5 МВт кожна компанії «Mitsubishi» (Японія). Ці парогазові встановлення в якості палива використовують горючі металургійні гази: доменний, конвертерний та коксовий гази.
При проектуванні необхідно було вирішити комплекс завдань взаємозв'язку джерел паливних газів, які характеризуються значною нестабільністю виробництва (виходу) паливних газів у відповідності з особливостями технологічних процесів у чорній металургії, і споживача, який має певні вимогами до стабільної постачання значних об'ємів (витрат) паливних газів з заданої калорійністю, діапазоном та швидкістю її зміни. Для вирішення цих завдань було прийнято низку інноваційних проектних і технічних рішень: використання газгольдери, газоповисітельних станцій, газопроводів великих діаметрів та запірно-регулюючої арматури для них. Але використання даного обладнання не може повністю нівелювати зміна витрат паливних газів, джерела яких характеризуються значною нестабільністю їх виробництва:
- для доменних печей як короткочасної та інтенсивної пульсацій витрати доменного газу тривалістю 5. 10 хв зі швидкістю зміни витрати газу до 5,0 тис. нм3/мін, зумовленої технологічним процесом, так і більш тривалими стрибками при заміні Фурма або проведення ремонтно-профілактичних робіт;
- для конвертерів можливе різке збільшення вдвічі виходу конвертерного газу протягом 12. 14 хвилин при одночасній продуванні двох конвертерів або зниження загального часового виходу конвертерного газу вдвічі при зупинці одного з конвертерів для проведення ремонтно-профілактичних робіт, наприклад, заміни футеровки;
- для коксохімічного виробництва характерна порівняльна стабільність виходу коксового газу і його характеристик.
НАУКОВА НОВИЗНА, ЩО ПЕРЕДБАЧАЄТЬСЯ
Застосування парогазових установок для вироблення електроенергії в світовій практиці відомо давно. Особливість даної установки полягає в тому, що вона буде застосована на металургійному підприємстві, де в якості палива передбачається використовувати його вторинні ресурси - Низькокалорійні гази доменного, конвертерного і коксохімічного виробництв. Для цієї мети будуть закуплені спеціальні установки ПГУ японської фірми «MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD», які для своєї роботи можуть використовувати низькокалорійний газ. Установки мають високий ККД, на рівні 44,6%.
Проект будівництва парогазової установки є унікальним не тільки для підприємства і міста Алчевська, а й України в цілому, за масштабом вирішуваних завдань, своєю новизні технічних рішень енергозабезпечення, сучасним підходам до вирішення енергетичних та екологічних проблем великого підприємства.
Наукова новизна даної роботи полягає в тому, що буде проведений розрахунок теплової схеми установки, розрахунок залежності вихідних параметрів і режиму роботи установки від умов подання та характеристик суміші паливних газів, розроблена програма моделювання та автоматичного процесу цих розрахунків.
ОГЛЯД ДОСЛІДЖЕНЬ І РОЗРОБОК ПО ТЕМЕ
У всьому світі прогрес в теплоенергетиці пов'язують з вирішенням завдань щодо підвищення ефективності, екологічності, зниження матеріало-та капіталомісткий, підвищення надійності та експлуатаційних властивостей енергетичних установок теплових електростанцій.
Одним з визнаних напрямів з реалізації поставлених завдань є широке впровадження в енергетику комбінованих парогазових установок (ПГУ). В енергетичному секторі, які використовують в якості палива природний газ або рідке паливо, пріоритет використання парогазових установок добре відомий.
Ідея створення парогазових установок, що використовують в якості робочих тел продукти згоряння палива і водяний пар (двійкові встановлення), вперше була висловлена французьким вченим Карно ще в 1824 р в його роботі «Роздуми про рушійною силою вогню і про машини, здатні розвивати цю силу». Карно запропонував схему поршневої парогазової установки і обгрунтував основна умова створення ефективних парогазових установок - використання продуктів згоряння палива в якості робочого тіла в області високих температур з одночасною утилізацією отбросного тепла газів для отримання робочого пара. По мірі розвитку парових і газових турбін виявилося можливим практичне здійснення цієї ідеї геніального вченого, більш ніж на століття вперед визначив основні шляхи розвитку парогазових теплових двигунів.
Перші двійкові парогазові установки з'явилися в Німеччині. У 1913 - 1917 Хольцварт здійснив ПГУ на базі ГТУ з пульсуючий камерою згоряння. ККД її не перевищував 14%.
У 1932 р. фірма «Броун-Бовері» розробили високонапорний парогенератор «Велокс» в топку якого повітря подавався осьових компресором, приводом якого служила осьова газова турбіна
У поєднанні «Велокса» з паровою турбіною виходила парогазовой установка з нульовою виробленням корисної потужності газовою турбіною.
У Росії дослідження комбінованих термодинамічних циклів виконані в ЦКТІ 1934 - 1940 рр.. і продовжені в післявоєнні роки.
У 1944-1945 рр.. в ЦКТІ А. Н. Ложкин розробив схему парогазової установки з згоряння палива при постійному тиску (рис. 3а). Теоретичні основи комбінованого парогазового циклу з високонапорним парогенератором (ПГУ з ВПГ) були розглянуті в роботах ЦКТІ (А. Н. Ложкін, А. Е. Гельтман), що дозволило підвищити ефективність установки за рахунок паралельного з регенеративної системою парових турбін підігріву живильної води. У цей період були розроблені основні принципи комбінування парових і газових турбін, проведений термодинамічний аналіз парогазових циклів, виконано порівняння різних комбінованих схем і виявлено перевагу установок з високонапорнимі парогенераторами порівняно з ПГУ скидні типу (з нізконапорнимі парогенераторами) і з котлами-утилізатора.
Ця перевага полягає насамперед у значному зниженні металловложеній в високонапорние парогенератори по сравнению с котлоагрегату звичайного типу. Крім того, парогазові установки з високонапорнимі парогенераторами забезпечують велику економію палива як у порівнянні з парогазові установками інших типів, так і в порівнянні з окремими паротурбинными і газотурбінні установки. Це справедливо для ПГУ на базі газових турбін з початковою температурою газів перед ними до 950 ÷ 1 000 ? С.
Започатковані в ЦКТІ термодинамічні дослідження циклів ПГУ отримали розвиток у роботах Одеського політехнічного інституту (під керівництвом проф. Д, П. Гохштейна), Саратовського політехнічного інституту (під керівництвом проф. А. І. Андрющенко), Ленінградського політехнічного інституту (під керівництвом проф. І . І, Кириллова та В. А. Зисіна), ЕНІНа, ВТИ та ін
На базі розроблених ЦКТІ схем і основного нестандартного обладнання парогазових установок в Радянському Союзі були побудовані і введені в експлуатацію парогазові установки:
- 1963р., Ленінград, Перша ЛенГЕС, ПГУ з ВПГ - 6,5 потужністю 6,5 МВт (ηпгу = 29,1%) на базі ГТУ-1, 5 з початковою температурою газів 720оС;
- 1966÷1970, Ленінград, Блок-ТЭЦ №6, 3 блока ПГУ с ВПГ потужністю 16,5МВт, (η = 35,5) на базе ГТ-700-4-1М початковою температурою газів 700оС;
- 1972р, Невинномисськ, Невинномисська ГРЕС, ПГУ з ВПГ потужністю 200МВт, (η = 43%) на базі ГТ-35 з початковою температурою газів 770оС виробництва Харківського турбінного заводу (принципова схема ПГУ на рис. 5).
Річна напрацювання блоку ПГУ-200 потужністю 200 МВт з ВПГ на параметри пара 13 МПа, 545/560 ° С на невинномисська досягла - 7940 год.
У період 1983-1885 р. його напрацювання на відмову склала 1132-1427 год. проти 1070-1140 час у блоків ПСУ з турбінами К-300-240 і 654-885 час. - З турбінами К-800-240.
При проектній температурі газів перед газовою турбіною 770 ° С і однакових в ПГУ і в ПСУ парових турбінах K-I60-I30 в умовах експлуатації ПГУ-200 отримано скорочення у порівнянні з ПСУ:
- — по витраті палива - 8%;
- — по металоємності ВПГ - 2.5 раза;
- — за питомою капзатратам - на 8%.;
1982р, Молдавська ДРЕС, ПГУ з НПГ потужністю 250МВт, (ηпгу = 42%) на базі ГТ-35 з початковою температурою газів 770оС, принципова схема на рис. 6. Річна напрацювання блоків складає 7460 годин. Блоки працюють в змінної частини графіка електричних навантажень з остановим газотурбінних агрегатів ГТ-35-770 і розвантаженням парових турбін К-210-130 до 40% від повної потужності на ніч. Відпрацьовані режими автоматичного пуску ГТА та їх підключення до діючих парових котлів після нічного останова. Среднеексплуатаціонное зниження питомої витрати палива в порівнянні з ПСУ складає 3-5%
1996р., ОПКС "Грязовец", ПГУ з КУ потужністю 35 МВт, (η = 37,4), на базі ГТН-25 з початковою температурою газів 770оС, принципова схема на рис. 7;
1997 р. Незважаючи на критику прийнятих рішень по надбудові блоку з турбіною Т-250 на Южной ТЕЦ С-Петербурга газотурбінної установкою GT-8C, проект був реалізований. Для реконструкції цього енергоблока у концерну АВВ була придбана газотурбінна установка GT-8C, що забезпечує близько 50% окислювача, необхідного для роботи котла з номінальною паропродуктивності. Решта 50% подає дутьевой вентилятор.
Авторами проекту розроблена незвичайна схема, основна особливість якої полягає в тому, що охолодження уходящих газів котла здійснюють не в газоводяних теплообмінниках, а зберігається у схемі ПГУ обертається регенеративної воздухоподогревателе (РВП) з допомогою надлишкового повітря. Останній виконує роль проміжного теплоносія, що передає тепло уходящих газів котла подпіточной або мережевий воді. Дана схема має дуже складну систему газовоздухопроводов великого перерізу і шибери, щільність яких є недостатньою. Для схеми характерні також неминучі перетечкі в РВП (до 20%), а також відсутність витіснення регенерації парової турбіни. Тому така реконструкція паротурбинных енергоблоків шляхом надбудови газової турбіни призвела до зниження надійності роботи установки і до значних додаткових втрат тепла. Як показали випробування, парогазовой блок замість проектного приросту ККД на 1-1,5% забезпечує ту ж економічність, що паросіловой блок до реконструкції. При використанні раціональної схеми приріст ККД склав би 2-3% абс. Таким чином, парогазовой блок Південної ТЕЦ Санкт-Петербурга представляє собою, з точки зору реалізації парогазових технологій, швидше негативний приклад.
У ці ж роки виконані проекти ПГУ з ВПГ і НПГ потужністю 250 ÷ 1000 МВт, включаючи і ПГУ з внутріцікловой газифікацією палива, призначені як для нового будівництва, так і для модернізації діючих паросілових блоків, виробили ресурс. У ці ж роки НУО ЦКТІ розробляє для Газпрому концепцію відомчої електростанції потужністю 30 ÷ 100 МВт з використанням типів ГТУ, застосовуваних Газпромом, але в енергетичному варіанті. Концепція заснована на застосуванні моно і дубль-блочних ПГУ з уніфікованими за групами ГТУ котлами-утилізатори і допоміжним обладнанням.
РЕЗУЛЬТАТИ, ЯКІ МАЮ ДО МОМЕНТУ ЗАВЕРШЕННЯ РОБОТИ НАД АВТОРЕФЕРАТОМ
- Проведений аналіз існуючих в країні і за кордоном розробок і досліджень з даної теми
- Проаналізовано параметри, характеристики, особливості конструкції та режиму роботи даної парогазової установки.
- Досліджено характеристики джерел подається палива, умови і режими його подачі.
- Виконаний розрахунок горіння коксодоменной суміші за наявними даними про складах палив, визначений процентний склад суміші, вихідні характеристики продуктів згоряння.
- Виконаний розрахунок горіння суміші трьох газів: коксового, конвертерного та доменного за наявними даними про складах палив, визначений процентний склад суміші, вихідні характеристики продуктів згоряння.
- Змодельовано процес зміни процентного складу, характеристик, витрат суміші трьох газів: коксового, конвертерного та доменного, в залежності від зміни частки кожного газу (нестабільності подачі) в суміші. Складена таблиця даних змін і рішень щодо можливості використання суміші даного складу для спалювання в камері згоряння парогазової установки.
- Почат тепловий повірочний розрахунок. Розраховані температури згоряння суміші трьох газів: коксового, конвертерного та доменного в камері згорання парогазової установки.
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
- 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")