Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенности отпуска тепловой энергии от газотурбинных теплоэлектроцентралей

В.П. Вершинский,

Особенности теплового режима

Выхлопные газы газовых турбин имеют высокую температуру - 350-450 ОС. Именно использование теплового потенциала выхлопных газов и обеспечивает высокие энергетические показатели по отпуску тепловой энергии от электростанций с газовыми турбинами. Здесь рассматриваются только особенности наиболее простого использования теплоты выхлопных газов - нагрева теплоносителя для систем теплоснабжения.

ГТЭЦ как источники тепловой энергии для систем теплоснабжения имеют целый ряд существенных особенностей, отличающих их от обычных котельных. Эти особенности имеются как в тепловом, так и гидравлическом режимах отпуска тепловой энергии. Конечно, следует понимать, что тепловые и гидравлические особенности ГТЭЦ неразрывно связаны между собой и должны рассматриваться совместно.

Особенности ГТЭЦ должны учитываться при их проектировании и эксплуатации. Авторы надеются, что изложенные ниже материалы окажутся полезными при проектировании и эксплуатации ГТЭЦ.

Принципиальная схема ГТЭЦ представлена на рис. 1.

Итак, вначале кратко перечислим основные особенности теплового режима отпуска теплоты от ГТЭЦ.

1. Высокие температуры выхлопных газов газовых турбин, что в принципе позволяет нагревать воду для систем теплоснабжения до температуры 150 ОС и выше.

2. Зависимость отпуска тепловой энергии от нагрузки электрогенераторов.

3. Сложности в регулировании отпуска тепловой энергии.

4. Необходимость принятия нестандартных мер по защите поверхностей нагрева УТО от коррозии.

5. Некоторые сложности в обеспечении тепловой энергией потребителей на территории самой ГТЭЦ.

6. Нестандартные графики температур воды в тепловой сети.

7. Способ оценки тепловой эффективности работы.

Принципиальной и главной особенностью ГТЭЦ является возможность получения горячей воды для целей теплоснабжения с температурой, существенно превышающей стандартные температуры в подающих трубопроводах тепловых сетей [1]. Это позволяет при сравнении альтернативных схем теплоснабжения существенно снизить капитальные затраты на строительство сетей за счет уменьшения диаметров трубопроводов, сократить эксплуатационные затраты за счет сокращения расходов электроэнергии на перекачку воды. Препятствием для повышения температуры воды могут являться технические характеристики УТО, которые не всегда допускают нагрев воды до температуры выше 115 ОС. Причина этого понятна. Конструкция теплообменника должна при температуре выше 115 ОС отвечать более жестким техническим требованиям, предъявляемым к сосудам под давлением. Это создает для завода-изготовителя дополнительные трудности. Изготовитель не считает нужным понести финансовые затраты на совершенствование характеристик УТО, хотя эти затраты совершенно ничтожны по сравнению с массовой экономией затрат на строительство сетей. Но - ведомства разные.

Поскольку ГТЭЦ производят одновременно электрическую и тепловую энергию, то неизбежно влияние графиков отпуска одного энергоносителя на график отпуска другого. Обычно все ТЭЦ работают по электрическому графику, и газотурбинные ТЭЦ не являются исключением. В итоге отпуск теплоты на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения от ГТЭЦ становится зависимым от электрической нагрузки ГТЭЦ, которая мало, но все-таки зависит от температуры наружного воздуха, но, главное, может иметь месячную и суточную неравномерность. В этом случае возникнут особенно негативные последствия, если ГТЭЦ работает вне энергосистемы. Для правильной оценки режимов работы ГТЭЦ в течение всего года крайне желательно перед началом проектирования ГТЭЦ иметь информацию об изменении расхода электрической энергии потребителями в зависимости от температуры наружного воздуха или при среднемесячных температурах воздуха в районе строительства.

Температура наружного воздуха влияет на расход и температуру выхлопных газов. Газовые турбины работают наиболее экономично при низких температурах наружного воздуха, что определяет более низкие температуры и расходы выхлопных газов именно тогда, когда системе теплоснабжения нужно значительное количество тепловой энергии. Возникает несоответствие потребностей в тепловой энергии возможностям ее получения. Как правило, летом потенциал ГТЭЦ по отпуску тепловой энергии оказывается полностью не использованным. Наличие в составе оборудования ГТЭЦ пиковой котельной позволяет исправить положение, конечно, если есть соответствующая потребность в тепловой энергии.

В обычной котельной регулирование количества отпускаемой тепловой энергии производится чаще всего поворотом задвижки или вентиля, изменяющих расход газа в котел. Таким образом, достаточно легко плавно регулировать требуемую температуру воды на выходе из котла на нужном уровне при постоянном, как правило, расходе воды. На ГТЭЦ регулирование отпуска тепловой энергии практически возможно изменением расхода выхлопных газов, проходящих через поверхность нагрева каждого УТО, и количеством работающих УТО. Однако тепловая мощность каждого УТО постоянно меняется в зависимости от электрической нагрузки генераторов и температуры наружного воздуха. Плавное регулирование температуры воды в тепловой сети в этом случае крайне затруднено или вообще невозможно. Дискретное изменение тепловой мощности УТО чаще всего требует специальных графиков температур воды в подающем и обратном трубопроводах. Особенности температурных графиков в тепловой сети будут рассмотрены ниже. газотурбинный теплоэлектроцентраль энергия котел

Изменять расход выхлопных газов через поверхности нагрева УТО можно одним способом - пропустить часть газов через параллельный (байпасный) газоход. Такой газоход, как правило, является составной частью УТО. Более того, для требуемого распределения потока выхлопных газов между двумя газоходами в них устанавливается система шиберов. Эта система [2] должна механически или с помощью электропривода поворачивать шиберы по определенной закономерности так, чтобы положение шиберов в любой момент времени, независимо от тепловой мощности УТО, обеспечивало удаление всего количества выхлопных газов. Учитывая размеры выхлопных газоходов газовых турбин, достигающих нескольких метров в длину и ширину, распределение потока выхлопных газов между двумя газоходами представляется достаточно сложной задачей. Ее решение затрудняется еще и высокой температурой газов, вследствие чего со временем возможно коробление шиберных механизмов. Следует учесть и то, что УТО, как правило, располагаются достаточно высоко над землей, что затрудняет и ручное управление шиберными механизмами, особенно зимой.

Расчет изменения тепловой мощности УТО при изменении расхода выхлопных газов, проходящих через поверхности нагрева, принципиально возможен, но реализация результатов расчета в повороте шиберов представляется чрезвычайно сложной. На практике использовать шиберные механизмы лучше всего только в тех случаях, когда количеством работающих УТО не удается достичь минимально необходимой тепловой мощности ГТЭЦ. Следует понимать, что возможные «перетопы», т.е. подача потребителю тепловой энергии в количестве более необходимого, не связана с перерасходом топлива. Следовательно, «перетоп» не влияет на экономические показатели работы ГТЭЦ.

При изменении количества работающих УТО изменяется расход воды через остальные УТО. Закономерности изменения расхода воды через отдельные УТО рассмотрены в первой части статьи. Здесь же отметим, что изменение расхода воды практически не влияет на отпуск тепловой энергии по условиям теплообмена.

Способы защиты поверхностей нагрева котлов и УТО от коррозии в принципе не отличаются. Необходимо поддерживать температуру воды на входе в котел или УТО на уровне, позволяющем избежать конденсации водяных паров, содержащихся в выхлопных газах, на поверхностях нагрева. Для этого температура воды перед поверхностью нагрева должна быть выше температуры точки росы в выхлопных газах. Температура точки росы определяется содержанием двуокиси углерода СО2 в продуктах сгорания газа. Содержание СО2, в свою очередь, определяется коэффициентом избытка воздуха при сжигании газа в топке котла (3), а применительно к газовой турбине - в камере сгорания и последующим разбавлением продуктов сгорания газа воздухом перед лопатками турбины. Зависимости между значениями точки росы, содержанием СО2 и коэффициентом избытка воздуха представлены на рис. 2.

Значение содержания СО2 в выхлопных газах обычно неизвестно. Значение коэффициента избытка воздуха определить проще. Для конкретной газовой турбины его можно рассчитать по данным завода-изготовителя о расходе газа и воздуха. Если известно значение коэффициента избытка воздуха, то значение температуры точки росы и содержание СО2 находятся на пересечении с одной вспомогательной кривой на рис. 2. Если известно содержание СО2, то по другой вспомогательной кривой рис. 2 можно определить температуру точки росы и коэффициент избытка воздуха.

Для котлов характерен коэффициент избытка воздуха 1,2-1,4, ему соответствует содержание СО2 на уровне 9,6-8,2 % и, соответственно, точка росы около 53-55 ОС (рис. 2). Для большинства газовых турбин коэффициент избытка воздуха будет не менее 3-4, а температура точки росы на уровне 30-32 ОС. Чтобы не допустить серьезных ошибок в определении температуры точки росы, следует по данным завода-изготовителя газовой турбины определить коэффициент избытка воздуха, а по его значению найти температуру точки росы. Значение температуры точки росы чрезвычайно важно для правильного формирования гидравлического режима работы ГТЭЦ. Предполагая возможность некоторых неточностей в определении температуры точки росы, температуру воды на входе в котлы обычно рекомендуют держать на уровне 70 ОС. По аналогичным соображениям температуру воды на входе в УТО можно рекомендовать поддерживать на уровне 50 ОС. Эта рекомендация накладывает ограничения на формирование температурного графика отпуска тепловой энергии от ГТЭЦ. Конечно, можно держать температуру воды перед УТО выше 50 ОС, но вследствие этого возникнут трудности с отпуском тепловой энергии в теплое время года. Вероятно, что при обеспечении только нагрузки горячего водоснабжения потребуется нагревать воду в УТО до температуры свыше 100 ОС.

Следует иметь в виду, что на территории ГТЭЦ имеются объекты, которые надо снабдить тепловой энергией на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение (собственные нужды ГТЭЦ). Возникает проблема правильного определения графиков температур в тепловой сети для сторонних потребителей и потребителей собственных нужд. Естественно, что температурный график для сторонних потребителей будет определяющим, а температурный график для потребителей собственных нужд вторичным. Если на территории ГТЭЦ нет котельной, которая может догревать воду, нагретую в УТО, то для сторонних потребителей расчетная температура воды в тепловой сети однозначно будет выбрана максимально допустимой техническими характеристиками УТО. Но такая температура воды может быть получена при расчетной температуре наружного воздуха только в одном случае, когда через УТО проходит расчетный расход выхлопных газов и расчетный (паспортный) расход воды. Этим условием ограничивается максимально возможный отпуск тепловой энергии по принятому температурному графику: расчетная тепловая мощность одного УТО, помноженная на их количество. При этом расчетный расход воды в тепловой сети должен быть равным расчетному расходу воды через один УТО, также помноженному на их количество. Только при выполнении указанных условий температурные графики у сторонних потребителей и потребителей собственных нужд могут быть одинаковыми. Однако такой случай маловероятен. Наиболее вероятно, что через УТО расход воды превышает расчетный, соответственно температура воды после нагрева в УТО будет ниже расчетной, что и определит возможный температурный график для потребителей собственных нужд. Для сторонних потребителей потребуется догревать воду в котельной до стандартной по заданному температурному графику. Наличие котельной на территории ГТЭЦ или в непосредственной близости позволит иметь для всех потребителей одинаковые расчетные температурные графики.

Поскольку тепловая мощность УТО регулируется чрезвычайно сложно, можно построить графики температур воды в тепловой сети в предположении, что мощность не регулируется, т.е. в любой момент времени, независимо от температуры воздуха, в УТО получается столько тепловой энергии, сколько позволяет расход выхлопных газов и их температура. Такие графики будут несколько отличаться от стандартных графиков в системах теплоснабжения [1]. На рис. 3 показан вариант графика для конкретного потребителя тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение для системы теплоснабжения с зависимым присоединением потребителей к тепловой сети. Точки резких скачков температур воды после УТО (температуры 10, -15 и -25 ОС) соответствуют моментам изменения количества работающих УТО.

Поскольку УТО расположены высоко над землей, к каждому из них по воздуху, или внутри помещений идут два теплоизолированных трубопровода от магистральных трубопроводов, расположенных на уровне земли или под землей. В зимнее время не работающие УТО и идущие к ним трубопроводы, надо защитить от замерзания. Иногда выключение УТО связано с остановкой турбины, а иногда с отсутствием потребностей в тепловой энергии. Из УТО воду просто сливают, а в трубопроводах искусственно организуют движение воды, открыв предусмотренную для этого перемычку между ними (позиция 9 на рис.1). Это приводит к тому, что расходы воды через работающие УТО уменьшаются, а температура воды в подающем трубопроводе тепловой сети окажется меньше температуры воды после каждого УТО (см. рис. 3). Этот факт должен быть обязательно учтен при расчете температурных графиков в тепловой сети. Вполне вероятно, что стандартные графики температур воды в сети окажутся непригодными.

Главным критерием экономичности работы системы теплоснабжения, в составе которой имеются ГТЭЦ и котельные, является коэффициент теплофикации [1]. Этот коэффициент характеризует долю ГТЭЦ в суммарном отпуске тепловой энергии данному конкретному объекту или, в другой редакции, долю тепловой энергии, которая получена без затрат топлива. Наиболее значимым является годовой коэффициент теплофикации, но его значения будут отличаться и в пределах месяца. Как правило, значения коэффициентов теплофикации в летние месяцы будут больше значений в зимние месяцы. Это связано с особенностью изменений расхода и температуры выхлопных газов от температуры наружного воздуха, о чем упомянуто выше. Для правильного определения коэффициента теплофикации необходимо знать закономерности изменения расхода и температуры выхлопных газов при любых температурах воздуха и мощности двигателя. Эти данные можно получить на за- воде-изготовителе газотурбинного двигателя. Следует иметь в виду, что изготовители газовых турбин и УТО, как правило, в паспортных данных приводят значения расходов и температур выхлопных газов при температуре воздуха 15 ОС и номинальной электрической мощности. В других условиях и расходы, и температуры газов будут другими.

Литература

1. Е.Я. Соколов. Теплофикация и тепловые сети. - М.: Издательство МЭИ, 2001, - 472 с.

2. В.П. Вершинский, Н.М. Коробов, З.П. Сорокина. Некоторые аспекты регулирования отпуска теплоты на теплоснабжение от газотурбинных ТЭЦ. - М.: «Промышленная энергетика». 2002, № 2, с. 29-31.

3. М.Б. Равич. «Эффективность использования топлива». - М.: Изд-во «Наука», 1977, 443 с.

Размещено на Allbest.ru