Особенности отпуска тепловой энергии от газотурбинных теплоэлектроцентралей
В.П. Вершинский
А.Р. Ексаев
ИВЦ "Поток"
май-июнь 2013 г.
Часть 1. Особенности гидравлического режима
В настоящее время строительство электростанций различной мощности, использующих газовые турбины, работающие на природном газе, приобрело массовый характер. Одна из причин этого – возможность снизить расходы газа на выработку конечных энергоносителей (электрической и особенно тепловой энергии) за счёт повышения конечного коэффициента использования газа. Кроме того, на рынке энергетического оборудования появилось большое количество отечественных и импортных газотурбинных двигателей, организовано производство утилизационных теплообменников.
Выхлопные газы газотурбинных установок (ГТУ) имеют высокую температуру - 350-450 градусов. Именно использование теплового потенциала выхлопных газов и обеспечивает высокие энергетические показатели по отпуску тепловой энергии электростанциями с газовыми турбинами. Применяется, в основном, два способа использования теплового потенциала газов. Для газовых турбин единичной мощностью 25 МВт и менее характерна установка на выхлопе газовой турбины утилизационных теплообменников (УТО), в которых потоком выхлопных газов нагревается вода для систем теплоснабжения. Для более мощных турбин чаще применяется установка на выхлопе ГТУ паровых котлов, производящих пар для привода паровых турбин. В данной работе будут рассмотрены только особенности наиболее простого использования теплоты выхлопных газов – получения горячей воды для систем теплоснабжения.
Установкам, производящие одновременно электрическую и тепловую энергии, дано классическое, с точки зрения авторов, название - теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) (1). Применительно к установкам аналогичного назначения с газовыми турбинами можно использовать аббревиатуру ГТЭЦ, поскольку наиболее часто встречающаяся в технической литературе аббревиатура ГТЭС не отражает в явном виде наличие отпуска теплоты для 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. В первой части данной статьи основное внимание уделено особенностям гидравлического режима, а на тепловых особенностях предполагается подробно остановиться в следующей, второй части этой статьи. Конечно, следует понимать, что тепловые и гидравлические особенности ГТЭЦ неразрывно связаны между собой и, как правило, должны рассматриваться совместно.
Особенности ГТЭЦ должны учитываться в первую очередь при их проектировании. Это позволит в последующем обеспечить высокие экономические показатели работы станций и избежать трудностей при их эксплуатации. Авторы надеются, что изложенные ниже материалы окажутся полезными при проектировании и эксплуатации ГТЭЦ.
Принципиальная схема ГТЭЦ представлена на рис.1. Отметим, что далее рассматриваются гидравлические особенности работы станционной сети в территориальных границах станции (вправо от точек А и Б на рис.1), влияющие на отпуск тепловой энергии потребителям как на площадке самой станции, так и за её пределами. Идеальным вариантом было бы совместное изучение особенностей режима станционной сети с сетью потребителей, снабжающихся тепловой энергией от данной ГТЭЦ. Однако на начальных стадиях проектирования ГТЭЦ это маловероятно.
Рис. 1. Принципиальная схема ГТЭЦ
При проектировании ГТЭЦ особенности гидравлического режима должны изучаться в первую очередь, поскольку без знания расходов воды и потерь давления в станционной сети невозможно определить теплотехнические показатели работы ГТЭЦ. Кроме того, гидравлическая система должна быть оптимизирована, без чего невозможно получить высокие показатели её работы и обеспечить конкурентные преимущества относительно других способов получения тепловой и электрической энергии.
Итак, перечислим основные особенности гидравлических режимов ГТЭЦ:
1. Большое количество расположенных внутри станции газовых турбин с установленными на их выхлопе УТО. В работе одновременно могут находиться не все газовые турбины и не все имеющиеся УТО. Количество одновременно работающих УТО будет определяться электрической нагрузкой станции, расчётной тепловой нагрузкой потребителей и температурой наружного воздуха.
2. Трубопроводы, по которым к УТО подаётся вода, и трубопроводы, по которым вода от них отводятся, соединяются в коллекторах. УТО по нагреваемой воде присоединены к коллекторам параллельно. Выбор диаметров трубопроводов коллекторов существенно влияет на равномерность распределения нагреваемой воды между УТО, что чрезвычайно важно.
3. При изменении количества работающих УТО происходит изменение расхода воды, проходящей через все УТО, и, соответственно, циркулирующей в тепловой сети. Требуются специальные меры для поддержания заданного расхода воды в сети (чаще всего постоянным). На рис.1 показана перемычка с установленным на ней регулятором давления 7, выполняющие эту задачу.
4. В течение отопительного сезона из неработающих УТО обычно сливается вода. Но на находящихся в «горячем резерве» УТО должны быть открыты перемычки (на рис.1 позиция 9). Это исключает замерзание воды в трубопроводах, но приводит к изменениям гидравлического режима и снижению температуры воды после нагрева в УТО.
5. Необходимость поддержания температуры воды перед УТО на уровне, исключающем коррозию его поверхностей нагрева. На рис.1 показана насосная группа 4 и регулятор температуры 8, с помощью которых температура воды перед УТО должна поддерживаться на заданном уровне.
6. Сложный подбор насосов с необходимыми характеристиками, обеспечивающих заданные расходы воды в тепловой сети потребителей в течение отопительного периода и летом при переменных расходах воды в станционных трубопроводах.
Качественная оценка изменений в гидравлике станционной сети может быть сделана на основании общей логики. Понятно, что при прочих равных условиях с уменьшением количества работающих УТО сопротивление сети увеличивается, а расходы воды через работающие УТО уменьшаются. Но нужны количественные оценки: отключили один УТО – сколько воды будет циркулировать через каждый работающий УТО и сколько воды поступит в тепловую сеть. Рассчитать количественные изменения в станционной сети ручным способом практически невозможно. Решить задачи по гидравлическому расчёту сложных сетей можно только с помощью компьютерного моделирования.
Особенности гидравлических режимов работы ГТЭЦ могут быть выяснены только при компьютерном моделировании работы трубопроводов ГТЭЦ либо в пределах территории станции (справа от точек А и Б на рисунке), либо всей системы теплоснабжения, включая трубопроводы от ГТЭЦ до потребителей и между потребителями. Авторы изучали особенности гидравлических режимов на компьютерной модели, выполненной на основании проекта конкретной ГТЭЦ. Подробная электронная расчетная модель всей совокупности оборудования ГТЭЦ – как изолированно, так и в контуре теплоснабжения сторонних потребителей тепла, была выполнена на хорошо известных и зарекомендовавших себя инструментальных средствах ИГС «CityCom-ТеплоГраф».
Созданная электронная модель ГТЭЦ на базе ИГС «CityCom-ТеплоГраф» позволяет:
1. Определить закономерности влияния отключений/включений УТО на гидравлический режим всей сети за счёт искусственного изменения количества работающих УТО, вычислять расходы теплоносителя через каждый УТО, «регулировать» расходы через каждую из перемычек. В зависимости от величины тепловой нагрузки потребителей можно определить необходимое количество работающих УТО, или, наоборот, определить максимальную тепловую нагрузку потребителей, которую может удовлетворить данная ГТЭЦ.
2. Варьировать диаметры внутренних трубопроводов для исследования их влияния на напоры у потребителей. Таким образом, может быть оптимизирована вся система станционных трубопроводов.
3. Исследовать влияние различных сочетаний диаметров трубопроводов, количества работающих УТО, напоров насосов на изменение напоров в тепловой сети у потребителей, наиболее удалённых от ГТЭЦ.
4. Определять необходимые параметры насосных агрегатов.
Для создания компьютерной модели необходимо иметь как минимум:
1. Генплан станции с нанесённым на нём размещением всех станционных объектов, в том числе специальных укрытий (энергоблоков) с размещёнными внутри них агрегатами в составе газотурбинных двигателей и УТО.
2. Сведения о тепловых нагрузках всех потребителей (отдельно на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение и технологические нужды).
3. Предполагаемый температурный график в тепловой сети.
4. Технические характеристики газовых турбин и УТО.
5. Требуемые напоры у конечных потребителей.
Все эти сведения, как правило, доступны перед началом проектирования ГТЭЦ.
Результаты исследования особенностей гидравлических режимов, полученных на модели и имеющих универсальное значение, изложены ниже.
Ещё раз следует подчеркнуть, что с помощью компьютерного моделирования и несложных теплотехнических расчётов можно получить полные и достоверные количественные сведения, характеризующие особенности отпуска тепловой энергии от ГТЭЦ.
Газотурбинные электростанции с турбинами небольшой мощности, в том числе и ГТЭЦ, являются многоагрегатными, т.е. в составе оборудования станции имеется несколько (до 6 и более) агрегатов. Количество работающих агрегатов зависит от электрической и тепловой нагрузок потребителей в конкретный момент времени. Сочетания работающих агрегатов не предсказуемы. Например, при наличии на ГТЭЦ шести агрегатов могут работать агрегаты 1-4, или 2-5, или 6-3, или ещё в каких-то других сочетаниях. Очевидно, что независимо от количества работающих УТО и их сочетаний, желательно выполнить условие – расход теплоносителя между работающими УТО должен быть распределён равномерно. Обеспечить равномерное распределение воды можно за счёт правильного выбора диаметра станционных трубопроводов – коллекторов и обвязки УТО. Под коллекторами понимаются трубопроводы, идущие под землёй или по земле вдоль установленных агрегатов, из которых вода попадает в УТО. Как правило, УТО подключены к коллекторам параллельно друг другу. Длина станционных трубопроводов достаточно велика. Это объясняется большими расстояниями между агрегатами (более 10 м друг от друга), установкой УТО высоко над землёй (более 10 м). Диаметры трубопроводов от коллекторов до УТО выбираются, как правило, по диаметрам фланцев УТО, поэтому проблема распределения воды всецело определяется диаметром коллекторов и сопротивлением каждого УТО. При моделировании диаметры можно принять постоянными в пределах границ станции, либо сделать переменными по мере уменьшения расхода воды от первого УТО по ходу воды до последнего. Естественно, что чем больше будет диаметр коллекторов, тем равномернее будет распределяться вода между УТО, но возрастёт и стоимость трубопроводов.
Решающее значение для гидравлического режима ГТЭЦ имеет количество одновременно работающих УТО. С изменением количества работающих УТО изменяется гидравлическое сопротивление сети и расход воды. При уменьшении количества работающих УТО сопротивление сети растёт, а расход воды уменьшается, при увеличении количества работающих УТО сопротивление сети уменьшается, а расход воды растёт. Однако расход воды для потребителя надо поддерживать равным расчётному, чаще всего, постоянным. При уменьшении расхода воды через УТО необходимо компенсировать недостающее количество воды в сети путём подмеса в подающий трубопровод воды из обратного трубопровода. Ручное управление этим процессом невозможно. Как вариант управления подмесом можно устанавливать на перемычке регулятор давления воды «после себя» (позиция 8 на рис.1). В электронной модели имеется возможность наблюдать и настраивать работу такого регулятора давления.
Имеется еще один нюанс. От сопротивления системы станционных трубопроводов зависит характер изменения расходов воды между УТО при отключении/включении отдельных УТО. Чем меньше сопротивление станционной системы, тем меньше меняется расход воды через УТО и снижается расход воды через регулятор 7. Сопротивление станционной системы зависит от сопротивления УТО и трубопроводов. Сопротивление УТО определяется его конструкцией, поэтому, уменьшая сопротивление трубопроводов, можно либо вообще отказаться от использования перемычки с регулятором 7, либо существенно снизить расход воды на подмес. Получается, что для экономии металла диаметры трубопроводов надо уменьшать, а для снижения гидравлического сопротивления – увеличивать. Надо искать некий оптимум – минимальный диаметр трубопроводов коллекторов, который мало влияет на перепады напоров у потребителей, сохраняет равномерное распределение воды между УТО, минимизирует расход воды на подмес. Задача легко решается при компьютерном моделировании вариантов с разными диаметрами.
В гидравлической системе ГТЭЦ есть ещё несколько перемычек (позиция 9 рис.1). Эти перемычки являются средством защиты трубопроводов, идущих от коллекторов к УТО, от замерзания в течение отопительного сезона в тех случаях, когда данный УТО не работает, но его необходимо держать «в горячем резерве». Проблему представляет выбор диаметра самой перемычки и устанавливаемой на ней арматуры. Если диаметр мал, то в конкретных условиях скорость воды в перемычке может оказаться очень высокой и даже сопровождаться звуком. Моделирование вариантов с разными диаметрами арматуры показало, что лучшим решением является установка на перемычке не только запорной арматуры, но и дроссельной шайбы. Диаметр отверстия в шайбе легко рассчитывается исходя из необходимого расхода воды через перемычку, обеспечивающего скорости воды в трубопроводах, исключающие замерзание, и перепаду давлений воды, определяемому по результатам моделирования. Ещё раз необходимо отметить, что расход воды через перемычки влияет на температуру воды в подающем трубопроводе системы теплоснабжения и гидравлику всей системы трубопроводов.
Выше указывалось на необходимость поддержания температуры воды на входе в УТО на уровне, превышающем значение температуры точки росы в выхлопных газах газовой турбины. Этим исключается возможность коррозии поверхностей нагрева УТО. Температура точки росы для каждой газовой турбины будет оригинальной, и её надо рассчитывать в каждом конкретном случае. Более детально проблема определения температуры точки росы будет рассмотрена в следующей части статьи. Если расчёты этой температуры и температурных графиков в тепловой сети покажут, что в каких-то диапазонах температур наружного воздуха температура в обратном трубопроводе ниже температуры точки росы, то температуру воды потребуется искусственно увеличивать за счёт смешения воды из обратного трубопровода с частью воды, нагретой в УТО. Для повышения температуры потребуется смесительная насосная (позиция 4 на рис.1). Для автоматизации процесса смешения можно установить регулятор температуры, который должен работать только в определённые периоды года. В принципе смешения можно избежать при правильном формировании графика температур воды в подающем и обратных трубопроводах.
Коснёмся более детально выбора насосов. Конечно, для каждой конкретной ГТЭЦ должны быть индивидуально выбраны насосы с необходимыми характеристиками. Тем не менее, можно утверждать, что обязательно необходимы только зимние и летние насосы. При компьютерном моделировании необходимые характеристики насосов определяются достаточно легко.
Для зимних насосов характерными показателями являются расчётный расход воды в сети при обеспечении всех потребителей необходимым количеством тепловой энергии, и напор как сумма потерь напора в УТО, станционных трубопроводах и заданного напора у сторонних потребителей. Если моделируется сразу тепловая сеть сторонних потребителей и ГТЭЦ, то необходимо учесть потери напора и в сетях сторонних потребителей. Все перечисленные данные будут определены в процессе моделирования. Для зимних насосов соотношение расход-напор без компьютерного моделирования прогнозировать трудно.
Для летних насосов будет характерным расход, необходимый для удовлетворения тепловой нагрузки горячего водоснабжения. Напор летних насосов потребуется выбрать в процессе моделировании. Он во многом будет зависеть от количества работающих УТО. Можно предположить, что напор летних насосов должен быть существенно больше напора зимних насосов из-за необходимости в работе минимального количества УТО. Нельзя исключить варианта, что потребуется включать несколько зимних или летних насосов одновременно.
Как отмечалось выше, потребность в смесительных насосах определится в процессе расчёта точки росы в выхлопных газах турбины и температурного графика. Если же эти насосы потребуются, то для них будет характерен небольшой напор, определяемый потерей напора практически в одном УТО, а расход будет колеблющимся в широких пределах. Смесительные насосы могут потребоваться только при зависимой схеме присоединения систем отопления сторонних потребителей тепловой сети ГТЭЦ и качественном регулировании тепловой нагрузки потребителей. Если трубопроводы сторонних потребителей и ГТЭЦ будут разделены теплообменниками (независимая схема), то смесительные насосы не потребуются. При качественно-количественном регулировании тепловой нагрузки (используется крайне редко) эти насосы также не потребуются из-за повышенных значений температуры воды в обратном трубопроводе тепловых сетей.
В качестве резюме следует отметить, что компьютерное моделирование гидравлической системы ГТЭС в совокупности с несложными тепловыми расчётами позволяет ответить на все вопросы, появляющиеся в процессе проектирования ГТЭЦ, получить оптимизированную по диаметрам трубопроводов и характеристикам насосов гидравлическую схему. Кроме того, полученные данные могут быть использованы в качестве исходных для экономической оценки показателей ГТЭЦ по капитальным затратам и расходам электроэнергии на перекачку воды в тепловой сети.
Часть 2. Особенности теплового режима
В первой части этой статьи были рассмотрены особенности гидравлического режима работы газотурбинных теплоэлектроцентралей (ГТЭЦ), не связанные или мало связанные с особенностями отпуска тепловой энергии. В этой, второй части публикации основное внимание будет уделено особенностям отпуска тепловой энергии от ГТЭЦ.
В настоящее время строительство электростанций различной мощности, использующих газовые турбины, работающие на природном газе, приобрело массовый характер. Причина этого – возможность достичь высоких экономических показателей по выработке электрической и особенно тепловой энергии и обеспечить конкурентоспособность с другими источниками получения электрической и тепловой энергии.
Выхлопные газы газовых турбин имеют высокую температуру - 350-450 градусов. 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 теплоты. 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 градусов 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 счёт уменьшения диаметров трубопроводов, сократить эксплуатационные затраты за счёт 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 град. Причина этого понятна. Конструкция теплообменника должна при температуре выше 115 град. отвечать более жёстким техническим требованиям, предъявляемым к сосудам под давлением. Это создаёт 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 всё-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 теплоте возможностям её 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 котёл. 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.
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 определённой 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, распре-деление потока выхлопных газов между двумя газоходами представляется достаточно сложной задачей. Её решение затрудняется ещё и высокой температурой газов, вследствие чего со временем возможно коробление шиберных механизмов. Следует учесть и то, что УТО, как правило, располагаются достаточно высоко над землёй, что затрудняет и ручное управление шиберными механизмами, особенно зимой.
Расчёт изменения тепловой мощности УТО при изменении расхода выхлопных газов, проходящих через поверхности нагрева, принципиально возможен, но реализация результатов расчёта в повороте шиберов представляется чрезвычайно сложной. На практике использовать шиберные механизмы лучше всего только в тех случаях, когда количеством работающих УТО не удаётся 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 котёл 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.
Рис. 2. Температура точки росы в выхлопных газах
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 град (рис. 2). Для большинства газовых турбин коэффициент избытка воздуха будет не менее 3-4, а температура точки росы на уровне 30-32 град. Чтобы не допустить серьёзных 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 град. По аналогичным соображениям температуру воды на входе в УТО можно рекомендовать поддерживать на уровне 50 град. Эта рекомендация накладывает ограничения на формирование температурного графика отпуска теплоты от ГТЭЦ. Конечно, можно держать температуру воды перед УТО выше 50 град., но вследствие этого возникнут трудности с отпуском тепловой энергии в тёплое время года. Вероятно, что при обеспечении только нагрузки горячего водоснабжения потребуется нагревать воду в УТО до температуры свыше 100 град.
Следует иметь в виду, что на территории ГТЭЦ имеются объекты, которых 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 расчётная температура воды в тепловой сети однозначно будет выбрана максимально допустимой техническими характеристиками УТО. Но такая температура воды может быть получена при расчётной температуре наружного воздух только в одном случае, когда через УТО проходит расчётный расход выхлопных газов и расчётный (паспортный) расход воды. Этим условием ограничивается максимально возможный отпуск тепловой энергии по принятому температурному графику: расчётная тепловая мощность одного УТО, помноженная на их количество. При этом расчётный расход воды в тепловой сети должен быть равным расчётному 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 расчётный, соответственно температура воды после нагрева в УТО будет ниже расчётной, 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 расчётные 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 град.) соответствуют моментам изменения количества работающих УТО.
Рис. 3. Температурные графики
Поскольку УТО расположены высоко над землёй, к каждому из них по воздуху, или внутри помещений идут два теплоизолированных трубопровода от магистральных трубопроводов, расположенных на уровне земли или под землёй. 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 теплоте. 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 учтён при расчёте 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 чём 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 заводе-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 град 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.
А.Р. Ексаев
ИВЦ "Поток"
май-июнь 2013 г.
Часть 1. Особенности гидравлического режима
В настоящее время строительство электростанций различной мощности, использующих газовые турбины, работающие на природном газе, приобрело массовый характер. Одна из причин этого – возможность снизить расходы газа на выработку конечных энергоносителей (электрической и особенно тепловой энергии) за счёт повышения конечного коэффициента использования газа. Кроме того, на рынке энергетического оборудования появилось большое количество отечественных и импортных газотурбинных двигателей, организовано производство утилизационных теплообменников.
Выхлопные газы газотурбинных установок (ГТУ) имеют высокую температуру - 350-450 градусов. Именно использование теплового потенциала выхлопных газов и обеспечивает высокие энергетические показатели по отпуску тепловой энергии электростанциями с газовыми турбинами. Применяется, в основном, два способа использования теплового потенциала газов. Для газовых турбин единичной мощностью 25 МВт и менее характерна установка на выхлопе газовой турбины утилизационных теплообменников (УТО), в которых потоком выхлопных газов нагревается вода для систем теплоснабжения. Для более мощных турбин чаще применяется установка на выхлопе ГТУ паровых котлов, производящих пар для привода паровых турбин. В данной работе будут рассмотрены только особенности наиболее простого использования теплоты выхлопных газов – получения горячей воды для систем теплоснабжения.
Установкам, производящие одновременно электрическую и тепловую энергии, дано классическое, с точки зрения авторов, название - теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) (1). Применительно к установкам аналогичного назначения с газовыми турбинами можно использовать аббревиатуру ГТЭЦ, поскольку наиболее часто встречающаяся в технической литературе аббревиатура ГТЭС не отражает в явном виде наличие отпуска теплоты для 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. В первой части данной статьи основное внимание уделено особенностям гидравлического режима, а на тепловых особенностях предполагается подробно остановиться в следующей, второй части этой статьи. Конечно, следует понимать, что тепловые и гидравлические особенности ГТЭЦ неразрывно связаны между собой и, как правило, должны рассматриваться совместно.
Особенности ГТЭЦ должны учитываться в первую очередь при их проектировании. Это позволит в последующем обеспечить высокие экономические показатели работы станций и избежать трудностей при их эксплуатации. Авторы надеются, что изложенные ниже материалы окажутся полезными при проектировании и эксплуатации ГТЭЦ.
Принципиальная схема ГТЭЦ представлена на рис.1. Отметим, что далее рассматриваются гидравлические особенности работы станционной сети в территориальных границах станции (вправо от точек А и Б на рис.1), влияющие на отпуск тепловой энергии потребителям как на площадке самой станции, так и за её пределами. Идеальным вариантом было бы совместное изучение особенностей режима станционной сети с сетью потребителей, снабжающихся тепловой энергией от данной ГТЭЦ. Однако на начальных стадиях проектирования ГТЭЦ это маловероятно.
Рис. 1. Принципиальная схема ГТЭЦ
При проектировании ГТЭЦ особенности гидравлического режима должны изучаться в первую очередь, поскольку без знания расходов воды и потерь давления в станционной сети невозможно определить теплотехнические показатели работы ГТЭЦ. Кроме того, гидравлическая система должна быть оптимизирована, без чего невозможно получить высокие показатели её работы и обеспечить конкурентные преимущества относительно других способов получения тепловой и электрической энергии.
Итак, перечислим основные особенности гидравлических режимов ГТЭЦ:
1. Большое количество расположенных внутри станции газовых турбин с установленными на их выхлопе УТО. В работе одновременно могут находиться не все газовые турбины и не все имеющиеся УТО. Количество одновременно работающих УТО будет определяться электрической нагрузкой станции, расчётной тепловой нагрузкой потребителей и температурой наружного воздуха.
2. Трубопроводы, по которым к УТО подаётся вода, и трубопроводы, по которым вода от них отводятся, соединяются в коллекторах. УТО по нагреваемой воде присоединены к коллекторам параллельно. Выбор диаметров трубопроводов коллекторов существенно влияет на равномерность распределения нагреваемой воды между УТО, что чрезвычайно важно.
3. При изменении количества работающих УТО происходит изменение расхода воды, проходящей через все УТО, и, соответственно, циркулирующей в тепловой сети. Требуются специальные меры для поддержания заданного расхода воды в сети (чаще всего постоянным). На рис.1 показана перемычка с установленным на ней регулятором давления 7, выполняющие эту задачу.
4. В течение отопительного сезона из неработающих УТО обычно сливается вода. Но на находящихся в «горячем резерве» УТО должны быть открыты перемычки (на рис.1 позиция 9). Это исключает замерзание воды в трубопроводах, но приводит к изменениям гидравлического режима и снижению температуры воды после нагрева в УТО.
5. Необходимость поддержания температуры воды перед УТО на уровне, исключающем коррозию его поверхностей нагрева. На рис.1 показана насосная группа 4 и регулятор температуры 8, с помощью которых температура воды перед УТО должна поддерживаться на заданном уровне.
6. Сложный подбор насосов с необходимыми характеристиками, обеспечивающих заданные расходы воды в тепловой сети потребителей в течение отопительного периода и летом при переменных расходах воды в станционных трубопроводах.
Качественная оценка изменений в гидравлике станционной сети может быть сделана на основании общей логики. Понятно, что при прочих равных условиях с уменьшением количества работающих УТО сопротивление сети увеличивается, а расходы воды через работающие УТО уменьшаются. Но нужны количественные оценки: отключили один УТО – сколько воды будет циркулировать через каждый работающий УТО и сколько воды поступит в тепловую сеть. Рассчитать количественные изменения в станционной сети ручным способом практически невозможно. Решить задачи по гидравлическому расчёту сложных сетей можно только с помощью компьютерного моделирования.
Особенности гидравлических режимов работы ГТЭЦ могут быть выяснены только при компьютерном моделировании работы трубопроводов ГТЭЦ либо в пределах территории станции (справа от точек А и Б на рисунке), либо всей системы теплоснабжения, включая трубопроводы от ГТЭЦ до потребителей и между потребителями. Авторы изучали особенности гидравлических режимов на компьютерной модели, выполненной на основании проекта конкретной ГТЭЦ. Подробная электронная расчетная модель всей совокупности оборудования ГТЭЦ – как изолированно, так и в контуре теплоснабжения сторонних потребителей тепла, была выполнена на хорошо известных и зарекомендовавших себя инструментальных средствах ИГС «CityCom-ТеплоГраф».
Созданная электронная модель ГТЭЦ на базе ИГС «CityCom-ТеплоГраф» позволяет:
1. Определить закономерности влияния отключений/включений УТО на гидравлический режим всей сети за счёт искусственного изменения количества работающих УТО, вычислять расходы теплоносителя через каждый УТО, «регулировать» расходы через каждую из перемычек. В зависимости от величины тепловой нагрузки потребителей можно определить необходимое количество работающих УТО, или, наоборот, определить максимальную тепловую нагрузку потребителей, которую может удовлетворить данная ГТЭЦ.
2. Варьировать диаметры внутренних трубопроводов для исследования их влияния на напоры у потребителей. Таким образом, может быть оптимизирована вся система станционных трубопроводов.
3. Исследовать влияние различных сочетаний диаметров трубопроводов, количества работающих УТО, напоров насосов на изменение напоров в тепловой сети у потребителей, наиболее удалённых от ГТЭЦ.
4. Определять необходимые параметры насосных агрегатов.
Для создания компьютерной модели необходимо иметь как минимум:
1. Генплан станции с нанесённым на нём размещением всех станционных объектов, в том числе специальных укрытий (энергоблоков) с размещёнными внутри них агрегатами в составе газотурбинных двигателей и УТО.
2. Сведения о тепловых нагрузках всех потребителей (отдельно на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение и технологические нужды).
3. Предполагаемый температурный график в тепловой сети.
4. Технические характеристики газовых турбин и УТО.
5. Требуемые напоры у конечных потребителей.
Все эти сведения, как правило, доступны перед началом проектирования ГТЭЦ.
Результаты исследования особенностей гидравлических режимов, полученных на модели и имеющих универсальное значение, изложены ниже.
Ещё раз следует подчеркнуть, что с помощью компьютерного моделирования и несложных теплотехнических расчётов можно получить полные и достоверные количественные сведения, характеризующие особенности отпуска тепловой энергии от ГТЭЦ.
Газотурбинные электростанции с турбинами небольшой мощности, в том числе и ГТЭЦ, являются многоагрегатными, т.е. в составе оборудования станции имеется несколько (до 6 и более) агрегатов. Количество работающих агрегатов зависит от электрической и тепловой нагрузок потребителей в конкретный момент времени. Сочетания работающих агрегатов не предсказуемы. Например, при наличии на ГТЭЦ шести агрегатов могут работать агрегаты 1-4, или 2-5, или 6-3, или ещё в каких-то других сочетаниях. Очевидно, что независимо от количества работающих УТО и их сочетаний, желательно выполнить условие – расход теплоносителя между работающими УТО должен быть распределён равномерно. Обеспечить равномерное распределение воды можно за счёт правильного выбора диаметра станционных трубопроводов – коллекторов и обвязки УТО. Под коллекторами понимаются трубопроводы, идущие под землёй или по земле вдоль установленных агрегатов, из которых вода попадает в УТО. Как правило, УТО подключены к коллекторам параллельно друг другу. Длина станционных трубопроводов достаточно велика. Это объясняется большими расстояниями между агрегатами (более 10 м друг от друга), установкой УТО высоко над землёй (более 10 м). Диаметры трубопроводов от коллекторов до УТО выбираются, как правило, по диаметрам фланцев УТО, поэтому проблема распределения воды всецело определяется диаметром коллекторов и сопротивлением каждого УТО. При моделировании диаметры можно принять постоянными в пределах границ станции, либо сделать переменными по мере уменьшения расхода воды от первого УТО по ходу воды до последнего. Естественно, что чем больше будет диаметр коллекторов, тем равномернее будет распределяться вода между УТО, но возрастёт и стоимость трубопроводов.
Решающее значение для гидравлического режима ГТЭЦ имеет количество одновременно работающих УТО. С изменением количества работающих УТО изменяется гидравлическое сопротивление сети и расход воды. При уменьшении количества работающих УТО сопротивление сети растёт, а расход воды уменьшается, при увеличении количества работающих УТО сопротивление сети уменьшается, а расход воды растёт. Однако расход воды для потребителя надо поддерживать равным расчётному, чаще всего, постоянным. При уменьшении расхода воды через УТО необходимо компенсировать недостающее количество воды в сети путём подмеса в подающий трубопровод воды из обратного трубопровода. Ручное управление этим процессом невозможно. Как вариант управления подмесом можно устанавливать на перемычке регулятор давления воды «после себя» (позиция 8 на рис.1). В электронной модели имеется возможность наблюдать и настраивать работу такого регулятора давления.
Имеется еще один нюанс. От сопротивления системы станционных трубопроводов зависит характер изменения расходов воды между УТО при отключении/включении отдельных УТО. Чем меньше сопротивление станционной системы, тем меньше меняется расход воды через УТО и снижается расход воды через регулятор 7. Сопротивление станционной системы зависит от сопротивления УТО и трубопроводов. Сопротивление УТО определяется его конструкцией, поэтому, уменьшая сопротивление трубопроводов, можно либо вообще отказаться от использования перемычки с регулятором 7, либо существенно снизить расход воды на подмес. Получается, что для экономии металла диаметры трубопроводов надо уменьшать, а для снижения гидравлического сопротивления – увеличивать. Надо искать некий оптимум – минимальный диаметр трубопроводов коллекторов, который мало влияет на перепады напоров у потребителей, сохраняет равномерное распределение воды между УТО, минимизирует расход воды на подмес. Задача легко решается при компьютерном моделировании вариантов с разными диаметрами.
В гидравлической системе ГТЭЦ есть ещё несколько перемычек (позиция 9 рис.1). Эти перемычки являются средством защиты трубопроводов, идущих от коллекторов к УТО, от замерзания в течение отопительного сезона в тех случаях, когда данный УТО не работает, но его необходимо держать «в горячем резерве». Проблему представляет выбор диаметра самой перемычки и устанавливаемой на ней арматуры. Если диаметр мал, то в конкретных условиях скорость воды в перемычке может оказаться очень высокой и даже сопровождаться звуком. Моделирование вариантов с разными диаметрами арматуры показало, что лучшим решением является установка на перемычке не только запорной арматуры, но и дроссельной шайбы. Диаметр отверстия в шайбе легко рассчитывается исходя из необходимого расхода воды через перемычку, обеспечивающего скорости воды в трубопроводах, исключающие замерзание, и перепаду давлений воды, определяемому по результатам моделирования. Ещё раз необходимо отметить, что расход воды через перемычки влияет на температуру воды в подающем трубопроводе системы теплоснабжения и гидравлику всей системы трубопроводов.
Выше указывалось на необходимость поддержания температуры воды на входе в УТО на уровне, превышающем значение температуры точки росы в выхлопных газах газовой турбины. Этим исключается возможность коррозии поверхностей нагрева УТО. Температура точки росы для каждой газовой турбины будет оригинальной, и её надо рассчитывать в каждом конкретном случае. Более детально проблема определения температуры точки росы будет рассмотрена в следующей части статьи. Если расчёты этой температуры и температурных графиков в тепловой сети покажут, что в каких-то диапазонах температур наружного воздуха температура в обратном трубопроводе ниже температуры точки росы, то температуру воды потребуется искусственно увеличивать за счёт смешения воды из обратного трубопровода с частью воды, нагретой в УТО. Для повышения температуры потребуется смесительная насосная (позиция 4 на рис.1). Для автоматизации процесса смешения можно установить регулятор температуры, который должен работать только в определённые периоды года. В принципе смешения можно избежать при правильном формировании графика температур воды в подающем и обратных трубопроводах.
Коснёмся более детально выбора насосов. Конечно, для каждой конкретной ГТЭЦ должны быть индивидуально выбраны насосы с необходимыми характеристиками. Тем не менее, можно утверждать, что обязательно необходимы только зимние и летние насосы. При компьютерном моделировании необходимые характеристики насосов определяются достаточно легко.
Для зимних насосов характерными показателями являются расчётный расход воды в сети при обеспечении всех потребителей необходимым количеством тепловой энергии, и напор как сумма потерь напора в УТО, станционных трубопроводах и заданного напора у сторонних потребителей. Если моделируется сразу тепловая сеть сторонних потребителей и ГТЭЦ, то необходимо учесть потери напора и в сетях сторонних потребителей. Все перечисленные данные будут определены в процессе моделирования. Для зимних насосов соотношение расход-напор без компьютерного моделирования прогнозировать трудно.
Для летних насосов будет характерным расход, необходимый для удовлетворения тепловой нагрузки горячего водоснабжения. Напор летних насосов потребуется выбрать в процессе моделировании. Он во многом будет зависеть от количества работающих УТО. Можно предположить, что напор летних насосов должен быть существенно больше напора зимних насосов из-за необходимости в работе минимального количества УТО. Нельзя исключить варианта, что потребуется включать несколько зимних или летних насосов одновременно.
Как отмечалось выше, потребность в смесительных насосах определится в процессе расчёта точки росы в выхлопных газах турбины и температурного графика. Если же эти насосы потребуются, то для них будет характерен небольшой напор, определяемый потерей напора практически в одном УТО, а расход будет колеблющимся в широких пределах. Смесительные насосы могут потребоваться только при зависимой схеме присоединения систем отопления сторонних потребителей тепловой сети ГТЭЦ и качественном регулировании тепловой нагрузки потребителей. Если трубопроводы сторонних потребителей и ГТЭЦ будут разделены теплообменниками (независимая схема), то смесительные насосы не потребуются. При качественно-количественном регулировании тепловой нагрузки (используется крайне редко) эти насосы также не потребуются из-за повышенных значений температуры воды в обратном трубопроводе тепловых сетей.
В качестве резюме следует отметить, что компьютерное моделирование гидравлической системы ГТЭС в совокупности с несложными тепловыми расчётами позволяет ответить на все вопросы, появляющиеся в процессе проектирования ГТЭЦ, получить оптимизированную по диаметрам трубопроводов и характеристикам насосов гидравлическую схему. Кроме того, полученные данные могут быть использованы в качестве исходных для экономической оценки показателей ГТЭЦ по капитальным затратам и расходам электроэнергии на перекачку воды в тепловой сети.
Часть 2. Особенности теплового режима
В первой части этой статьи были рассмотрены особенности гидравлического режима работы газотурбинных теплоэлектроцентралей (ГТЭЦ), не связанные или мало связанные с особенностями отпуска тепловой энергии. В этой, второй части публикации основное внимание будет уделено особенностям отпуска тепловой энергии от ГТЭЦ.
В настоящее время строительство электростанций различной мощности, использующих газовые турбины, работающие на природном газе, приобрело массовый характер. Причина этого – возможность достичь высоких экономических показателей по выработке электрической и особенно тепловой энергии и обеспечить конкурентоспособность с другими источниками получения электрической и тепловой энергии.
Выхлопные газы газовых турбин имеют высокую температуру - 350-450 градусов. 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 теплоты. 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 градусов 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 счёт уменьшения диаметров трубопроводов, сократить эксплуатационные затраты за счёт 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 град. Причина этого понятна. Конструкция теплообменника должна при температуре выше 115 град. отвечать более жёстким техническим требованиям, предъявляемым к сосудам под давлением. Это создаёт 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 всё-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 теплоте возможностям её 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 котёл. 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.
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 определённой 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, распре-деление потока выхлопных газов между двумя газоходами представляется достаточно сложной задачей. Её решение затрудняется ещё и высокой температурой газов, вследствие чего со временем возможно коробление шиберных механизмов. Следует учесть и то, что УТО, как правило, располагаются достаточно высоко над землёй, что затрудняет и ручное управление шиберными механизмами, особенно зимой.
Расчёт изменения тепловой мощности УТО при изменении расхода выхлопных газов, проходящих через поверхности нагрева, принципиально возможен, но реализация результатов расчёта в повороте шиберов представляется чрезвычайно сложной. На практике использовать шиберные механизмы лучше всего только в тех случаях, когда количеством работающих УТО не удаётся 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 котёл 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.
Рис. 2. Температура точки росы в выхлопных газах
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 град (рис. 2). Для большинства газовых турбин коэффициент избытка воздуха будет не менее 3-4, а температура точки росы на уровне 30-32 град. Чтобы не допустить серьёзных 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 град. По аналогичным соображениям температуру воды на входе в УТО можно рекомендовать поддерживать на уровне 50 град. Эта рекомендация накладывает ограничения на формирование температурного графика отпуска теплоты от ГТЭЦ. Конечно, можно держать температуру воды перед УТО выше 50 град., но вследствие этого возникнут трудности с отпуском тепловой энергии в тёплое время года. Вероятно, что при обеспечении только нагрузки горячего водоснабжения потребуется нагревать воду в УТО до температуры свыше 100 град.
Следует иметь в виду, что на территории ГТЭЦ имеются объекты, которых 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 расчётная температура воды в тепловой сети однозначно будет выбрана максимально допустимой техническими характеристиками УТО. Но такая температура воды может быть получена при расчётной температуре наружного воздух только в одном случае, когда через УТО проходит расчётный расход выхлопных газов и расчётный (паспортный) расход воды. Этим условием ограничивается максимально возможный отпуск тепловой энергии по принятому температурному графику: расчётная тепловая мощность одного УТО, помноженная на их количество. При этом расчётный расход воды в тепловой сети должен быть равным расчётному 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 расчётный, соответственно температура воды после нагрева в УТО будет ниже расчётной, 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 расчётные 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 град.) соответствуют моментам изменения количества работающих УТО.
Рис. 3. Температурные графики
Поскольку УТО расположены высоко над землёй, к каждому из них по воздуху, или внутри помещений идут два теплоизолированных трубопровода от магистральных трубопроводов, расположенных на уровне земли или под землёй. 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 теплоте. 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 учтён при расчёте 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 чём 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 заводе-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 град 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.