Системный анализ газотурбинной блок-ТЭЦ

В последние годы во многих странах мира получают применение газотурбинные блок-ТЭЦ, работающие по различным тепловым схемам и циклам. Наиболее простыми из них являются так называемые мини-ТЭЦ, где выхлопные газы ГТУ используются для нагрева сетевой воды, и промышленные блок-ТЭЦ, где используются выхлопные газы ГТУ для выработки технологического пара. Но поскольку в учебной литературе уже получила некоторое освещение методика анализа эффективности мини-ТЭЦ [4], рассмотрим методику эксергетического анализа промышленной ГТУ-ТЭЦ, называемой обычно блок-ТЭЦ. Тепловая схема ГТУ-ТЭЦ приведена на рис. 3.4, а ее цикл - на рис. 3.5.

Рис. 3.4. Тепловая схема блока ТЭЦ Рис. 3.5. Термодинамический

на базе ГТУ: цикл газотурбинной ТЭЦ

ОК – осевой компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; ЭГ – электрогенератор; КУ – котел - утилизатор; БС – барабан - сепаратор; ПН – питательный насос

Как видно из рис. 3.4, часть выработанного в котле-утилизаторе (КУ) пара в количестве до 3-5 % отводится в камеру сгорания (КС) ГТУ для подавления образования там окислов азота (NO), вредных для здоровья людей.

Технологический пар, вырабатываемый в КУ, обычно имеет давление 0,7-1,0 МПа с небольшой степенью перегрева или сухой насыщенный. Конденсат этого пара, как правило, возвращается в КУ, однако не всегда полностью, что должно учитываться при составлении материального баланса КУ. Соответственно должен учитываться и отвод части выработанного пара в камеру сгорания. Уравнение материального баланса рабочего тела в цикле ГТУ в данном случае имеет вид

(3.25)

где - общее количество выхлопных газов; - масса воздуха, поступающего из компрессора в камеру сгорания; - масса пара, полученного из КУ газовой турбины; - количество воздуха, поступившего на охлаждение лопаток турбины.

Необходимо иметь в виду, что масса водяных паров, находящихся в составе выхлопных газов, всегда будет больше , поскольку при сгорании углеводородных топлив образуется определенное количество Н₂О от имеющегося в топливе водорода. Аналогично определяется зависимость между выработанной в КУ массой пара (G_п) и отданной потребителю ()

(3.26)

Подобным образом определяется и масса воздуха, сжимаемого в компрессоре, если его часть отводится непосредственно в голову турбины для охлаждения высокотемпературных лопаток. Уравнение теплового балансарассматриваемой установки в соответствии с ее схемой и циклом будет иметь вид

(3.27)

где ; В - масса сжигаемого в камере сгорания ГТУ топлива; - КПД камеры сгорания; - теплота топлива, подведенная от продукта его сгорания; - теплота нагрева пара в камере сгорания; - работа реального газового цикла; - энтальпия водяного пара на входе в КС и на выходе из нее; - потеря теплоты со всеми уходящими газами, включая теплоту конденсации впрыснутого пара; - теплота, отданная тепловому потребителю с отпущенным паром, определится как

(3.28)

где - масса (расход) и энтальпия технологического пара, отдаваемого из блок-ТЭЦ; - масса и энтальпия возвращаемого на блок-ТЭЦ конденсата. Работа реального цикла такой ГТУ, приходящаяся на 1 кг сжимаемого в компрессоре воздуха, составит

(3.29)

где - работа расширения массы продуктов сгорания в турбине, приходящаяся на 1 кг воздуха, сжимаемого в компрессоре; - масса впрыснутого пара, также отнесенная к 1 кг воздуха; - работа сжатия одного кг воздуха.

Эффективный КПД реального цикла рассматриваемой ГТУ при отсутствии отдачи пара в сеть будет выражен формулой

, (3.30)

а электрический КПД нетто (раздельной выработки) составит

(3.31)

где (3.32)

Здесь - произведение механического КПД газовой турбины на КПД электрогенератора; - коэффициент, учитывающий расход электроэнергии на все механизмы ГТУ.

При отпуске выработанного в КУ водяного пара в количестве за счет частичной утилизации теплоты выходящих из газовой турбины продуктов сгорания и впрыска в КС водяного пара эффективность этой энергоустановки будет определяться следующим комплексом показателей:

- удельная выработка электроэнергии (нетто) теплофикационным потоком рабочего тела ГТУ на тепловом потреблении

(3.33)

- коэффициент использования теплоты топлива теплофикационным потоком рабочего тела ГТУ

(3.34)

- коэффициент использования (утилизации) теплоты выхлопных газов газовой турбины

(3.35)

где - потери теплоты с уходящими из котла-утилизатора газами (включая водяной пар); - потери теплоты с уходящими газами при отсутствии КУ.

Пренебрегая зависимостью удельной теплоемкости выхлопных газов от их температуры, формула (3.35) преобразуется к виду

(3.36)

В соответствии с величиной цикл ГТУ разделяется на две части: теплофикационную, отработанная теплота которой используется для выработки технологического пара, и раздельную. Раздельная часть цикла показана на рис. 3.5 площадкой 12xy, а - площадкой а1Ув.

В этом случае удельная выработка электроэнергии (нетто) на тепловом потреблении может быть рассчитана по формуле

(3.37)

где соответствует на рис. 3.5 пл. 1234 и пл. bеаd; - рассчитывается по формуле (3.29).

По величине также можно определить количество электроэнергии, выработанной раздельным способом

(3.38)

При этом выработка электроэнергии теплофикационным потоком рабочего тела ГТУ составит

. (3.39)

Расход топлива, относимый на теплофикационный поток, будет равен

. (3.40)

Формула (3.34) для расчета коэффициента использования теплоты топлива теплофикационного потока примет вид

(3.41)

Расход топлива на раздельную выработку электроэнергии в ГТУ (за счет наличия раздельной части цикла) составит

(3.42)

Вместе с тем, поскольку , как правило, всегда меньше замещаемой КЭС, такая раздельная выработка электроэнергии в ГТУ вызовет перерасход топлива в системе в количестве

(3.43)

Общая формула экономии топлива в системе, достигаемая на блок-ТЭЦ (по сравнению с раздельной выработкой электроэнергии на КЭС и теплоты в замещаемых котельных), в соответствии с формулой (3.25) составит

(3.44)

где h_эс - КПД электрической сети от КЭС до блок-ТЭЦ, расположенной непосредственно у парового и электрического потребителя.

Величина определяется по формуле (3.43), а - по формуле (3.17).

Для этой же блок-ТЭЦ эксергетический баланс будет представлять равенство

(3.45)

где Ex^топ - эксергия топлива; Z_выр - вся выработанная механическая энергия на лопатках газовой турбины; - эксергетические потери от необратимого теплообмена между газами и паром в КУ; - эксергия уходящих из КУ газов.

Абсолютный эксергетический КПД реального цикла ГТУ при раздельной выработке электроэнергии составит

. (3.46)

Эксергетический КПД блок-ТЭЦ, отдающей в сеть электроэнергию Э_отр = Э_выр - и эксергию пара , при теплофикационном режиме будет равен

, (3.47)

где ех^п - эксергия 1 кг пара, отданная тепловому потребителю. Ее можно рассчитать по формуле

ех^п = h_п - h_к - Т₀(s_п - s_к) + (h_к - Т₀s_к), (3.48)

где - потери конденсата технологического пара.

Дополнительными показателями, определяющими эффективность комбинированной выработки электроэнергии и теплоты (заменяющим из теплового баланса), будут эксергетический КПД теплофикационного потока и удельная выработка электроэнергии (нетто) , приходящаяся на единицу эксергии отданной в сеть теплоты

(3.49)

Эксергетический КПД теплофикационного потока блок-ТЭЦ в условиях частичного использования теплоты уходящих из ГТ газов будет равен

. (3.50)

Экономия топлива в системе по сравнению с раздельной выработкой электроэнергии на районной КЭС и технологического пара в промышленной котельной определится подобно (3.23)

(3.51)

где Ex^вых - эксергия выхлопных газов (включая пары) на выходе из паровой турбины; - эксергетический КПД КУ, рассчитываемый как

, (3.52)

где - потери топлива в системе от раздельной выработки электроэнергии в ГТУ, вызванной неполной утилизацией теплоты выхлопных газов

, (3.53)

- дополнительная экономия топлива в системе от ликвидации потерь в электросетях от КЭС до блок-ТЭЦ (размещенных вблизи электрических потребителей)

, (3.54)

где h_эс - КПД электросети, учитывающий потери электроэнергии.

Исследование зависимости от различных факторов показывает, что решающее влияние здесь оказывают эксергетический КПД КУ и степень утилизации уходящих газов y_ут, определяющая величину не только теплофикационной выработки электроэнергии, но и перерасхода топлива в системе от раздельной выработки в ГТУ части электроэнергии.

Дата добавления: 2015-07-02