Модель принципиальной тепловой схемы тепловой электростанции (ТЭС) с охлаждением конденсатора жидким диоксидом углерода СО2

Данная работа представляет собой описание процесса создания простой модели энергоблока с паровым энергетическим котлом и паровой турбиной и охлаждением конденсатора жидким СО₂. Модель создана в бесплатном симуляторе химических процессов DWSIM. Данный программный комплекс позволяет моделировать принципиальные тепловые и технологические схемы и создавать статические математические модели с сосредоточенными параметрами.

Описание модели энергоблока

Модель энергоблока представляет собой принципиальную тепловую схему ТЭС конденсационного типа, работающую без регенеративного подогрева питательной воды. В состав энергоблока входят:

• Паровой котел
• Паровая турбина
• Конденсатор
• Питательный насос

Энергоблок является классическим примером паросиловой установки, работающей по прямому циклу Ренкина. Цикл Ренкина без промежуточного пара и регенеративного подогрева питательной воды представлен ниже на рисунке.

Паровой котел

В энергетическом паровом котле (ЭК+ПГ+ПП) происходит выработка перегретого водяного пара. Параметры модели:

• Температура перегретого пара 550 °С
• КПД энергетического парового котла 92% (среднее значение для энергетических котлов при номинальной паропроизводительности)
• Давление перегретого пара 140 кгс/см²
• Продувка не учитывается
• Затраты энергии на собственные нужды котла не учитываются

Паровая турбина

В паровой турбине происходит расширение свежего пара от давления 140 кгс/см² до давления в конденсаторе. Результатом моделирования является механическая мощность на валу турбины. Параметры модели:

• Мощность паровой турбины 1000 кВт.
• Относительный внутренний КПД турбины 85% (среднее значение для паровых турбин конденсационного типа)
• Затраты энергии на привод маслонасоса не учитываются
• Потери энергии в электрогенераторе не учитываются

Конденсатор

В конденсаторе происходит полная конденсация отработавшего водяного пара до воды в состоянии насыщения. Выделившаяся теплота, при этом, отводится в окружающую среду. Давление в конденсаторе напрямую зависит от температуры охлаждающего теплоносителя. Обычно таким теплоносителем является циркуляционная вода, охлаждаемая в градирнях. Параметры модели:

• Давление в конденсаторе (вакуум) 0,05 кгс/см² соответствует номинальному значению для расчета типовых энергетических характеристик паровых турбин и температуре насыщения 32,5 °С.
• Затраты энергии на конденсатные и циркуляционные насосы не учитываются

Питательный насос

Насос служит для повышения давления питательной воды и подачи её в котел для нагрева, испарения и перегрева пара. Параметры модели:

• КПД насоса 85%
• Потери давления по всему пароводяному тракту схемы не учитываются
• Затраты энергии на деаэрацию воды не учитываются

Результаты моделирования энергоблока

Модель тепловой схемы энергоблока ТЭС представляет математическую модель начального уровня. Модель состоит из системы алгебраических уравнений теплового и материального баланса, не зависящих от времени (статическая). Такие модели рекомендуется применять на предпроектных этапах с целью экономии ресурсов. Результаты моделирования могут быть полезны для проверки гипотез по модернизации и совершенствованию тепловых и технологических схем. Модель имеет множество допущений, однако учитывает все фундаментальные законы и понятия для получения достоверных результатов моделирования.

На рисунке ниже представлена модель паротурбинной установки, выполненная в симуляторе DWSIM. На схеме показаны основные энергетические потоки, которые также продублированы в таблице ниже.

Энергетические потоки, для удобства вычислений, приведены в отношении к единице времени в виде мощности в кВт.

Наименование компонента	Параметр	Значение	Размерность
Турбина	Мощность паровой турбины	1000,62	kW
Котел	Тепло сожжённого топлива	2899,31	kW
Насос	Потребляемая мощность насоса	13,0774	kW
Конденсатор	Тепло, отводимое в окружающую среду	1679,83	kW

Расчет КПД энергоблока, с учетом затраты мощности на привод питательного насоса, осуществляется по формуле:

• Где Nэ — Мощность паровой турбины
• Nп.н. — Потребляемая мощность насоса
• Q1 — Тепло сожжённого топлива

• Расход пара на турбину составил 2,9 т/ч.

Повышение КПД цикла Ренкина путем снижения температуры отвода тепла от конденсатора

Известно, что при понижении температуры конденсации водяного пара в конденсаторе повышается КПД цикла Ренкина и увеличивается полезная мощность – мощность паровой турбины. Это связано с тем, что при уменьшении температуры, уменьшается давление в конденсаторе. То есть, достигается более глубокий вакуум. Это способствует увеличению теплоперепада турбины и росту мощности. Таким образом, есть зависимость между мощностью паровой турбины и давлением в конденсаторе. Типовые энергетические характеристики, действующих и выпускающих промышленностью паровых турбин, представляют такую зависимость в виде диаграммы поправок. На рисунке ниже представлена диаграмма поправок к мощности турбины ПТ-60-130/13 (номинальная мощность 60 000 кВт) от давления в конденсаторе. Так, например, при уменьшении давления отработавшего пара на 0,01 кгс/см² мощность турбины увеличивается на 435 кВт.

Моделирование охлаждения конденсатора энергоблока ТЭС жидким СО₂

Цель моделирования определить повышение КПД ТЭС и мощности паровой турбины при охлаждении конденсатора ТЭС жидким СО₂. Для достижения этой цели создана модель принципиальной схемы парокомпрессионной холодильной машины, работающей по обратному циклу Ренкина на двуокиси углерода (R744).

Модель холодильной установки на двуокиси углерода

Модель состоит из следующих компонентов:

Испаритель

Испаритель представляет собой теплообменник, в котором происходит испарение жидкого СО₂ с поглощением теплоты. Давление СО₂ в испарителе 40 кгс/см² выбрано исходя из температуры насыщения 4,5 °С.

Компрессор

Компрессор служит для подъёма давления испарившегося СО₂ с целью его дальнейшей конденсации в конденсаторе при более высокой температуре. В этом заключается принцип работы всех холодильных установок – с повышением давления, увеличивается температура испарения и конденсации. Согласно циклу, представленного на диаграмме, давление после компрессора составляет 70 кгс/см². Температура насыщения СО_2, при таком давлении, составляет 27,8 °С. Параметры модели:

• КПД компрессора 80%
• Потери в электроприводе не учитываются

Конденсатор

В конденсаторе газообразный СО₂ полностью конденсируется, отдавая теплоту в окружающую среду при температуре, соответствующей температуре насыщения 27,8 °С. На выходе из конденсатора получается полностью сжиженный СО₂.

Дроссель

Дроссель представляет собой устройство для снижения давления СО₂ до 40 кгс/см² с целью снижения температуры кипения. Процесс дросселирования сопровождается частичным испарением.

Результаты моделирования энергоблока ТЭС с отводом тепла от конденсатора с помощью жидкого СО₂

Для корректной оценки эффективности решения используется описанная выше модель энергоблока ТЭС. Отвод тепла от конденсатора осуществляется в испаритель холодильной установки. В модели начального уровня не учитывается промежуточный теплоноситель (циркуляционная вода) между отработавшим паром и СО₂.

Расчетная схема энергоблока с холодильной установкой представлена на рисунке ниже.

На схеме показаны основные энергетические потоки, которые также продублированы в таблице ниже.

Наименование компонента	Параметр	Значение	Размерность
Турбина	Мощность паровой турбины	1111,87	kW
Котел	Тепло сожжённого топлива	2994,13	kW
Насос	Потребляемая мощность насоса	13,01	kW
Конденсатор холодильной установки	Тепло, отводимое в окружающую среду	1938	kW
Компрессор	Потребляемая мощность компрессора	282,298	kW

Применение схемы охлаждения конденсатора с помощью СО₂ требует учета в затратах на собственные нужды энергоблока мощности необходимой для привода компрессора СО₂.

Расчет КПД энергоблока, с учетом затраты мощности на привод питательного насоса и компрессора, осуществляется по формуле:

• Где Nэ — Мощность паровой турбины
• Nп.н. — Потребляемая мощность насоса
• Nк — Потребляемая мощность компрессора
• Q1 — Тепло сожжённого топлива
• Расход пара на турбину составил 2,9 т/ч
• Расход СО₂ в конденсатор составил 37 т/ч
• Прирост мощности паровой турбины 111 кВт.

Давление в конденсаторе паровой турбины 0,01 кгс/см², которому соответствует температура насыщения 6,7 °С. Возможность дальнейшего снижения давления следует оценивать с учетом возможности достижения предельного вакуума, при котором скорость пара на последних ступенях паровой турбины превышает местную скорость звука и исчерпывается расширительная способность косого среза последней ступени.

Заключение

Анализ результатов моделирования с помощью моделей начального уровня позволяет сформулировать следующие выводы:

1. Снижение давления отработавшего пара в конденсаторе паровых турбин приводит к росту их мощности и КПД энергоблока в целом. Однако, это снижение ограничивается температурными напорами теплообменного оборудования и температурой окружающей среды.
2. Применение жидкого СО₂ для охлаждения конденсаторов паровых турбин способно снизить давление отработавшего пара до значений предельного вакуума.
3. Для достижения экономической эффективности применения жидкого СО₂ для охлаждения конденсаторов паровых турбин требуется, чтобы затраты энергии на сжатие в компрессоре и сжижение СО₂ были меньше, чем прирост мощности паровой турбины. Результаты моделирования показали прирост мощности паровой турбины 111 кВт, затраты мощности на привод компрессора 282 кВт.
4. Таким образом, моделирование начального уровня показывает неэффективность решения по охлаждению конденсатора паровой турбины жидким СО₂.