В статье приведен пример расчета основных технических параметров работы и КПД парогазовой установки с котлом-утилизатором. Расчет выполнен с помощью симулятора химических процессов DWSIM.
Описание схемы парогазовой установки с котлом-утилизатором.
Парогазовая установка является теплоэнергетической установкой предназначенной в общем случае для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Первичным источником энергии обычно является углеводородное топливо – природный или попутный газ, дизельное топливо, мазут. Принципиальная тепловая схема парогазовой установки с котлом-утилизатором состоит из двух энергетических установок:
- Газотурбинная установка (ГТУ).
- Паротурбинная установка (ПТУ) или паротурбинный блок.
Газотурбинная установка
В состав одновальной газотурбинной установки входят следующие компоненты:
- Компрессор – К
- Камера сгорания – КС
- Газовая турбина – ГТ
Атмосферный воздух засасывается в компрессор. В компрессоре происходит процесс сжатия воздуха до заданного давления (1,5 — 3 МПа). В результате сжатия воздуха повышается его давление и температура (200 — 350 °С). Далее сжатый воздух направляется в камеру сгорания для смешения и обеспечения горения топлива. В камеру сгорания также поступает топливо. В результате горения образуются продукты сгорания с высокой температурой (до 1200 °С). Горячие продукты сгорания топлива под давлением поступают на газовую турбину. В газовой турбине горячие газы расширяются на лопатках и охлаждаются, совершая работу. Таким образом, потенциальная энергия продуктов сгорания топлива преобразуется в механическую энергию вращения ротора газовой турбины. Этой энергии достаточно чтобы:
- вращать ротор компрессора, сжимая воздух
- вырабатывать электрическую энергию вращая ротор электрогенератора.
После газовой турбины отработавшие выхлопные газы имеют всё еще высокую температуру порядка 500–600 °С. Тепло выхлопных газов ГТУ полезно используется в котле-утилизаторе.
Паротурбинный блок
В состав паротурбинного блока входят:
- Котел-утилизатор – КУ
- Паровая турбина – ПТ
- Конденсатор – КН
- Питательный насос – Н
Отработавшие выхлопные газы ГТУ поступают в котел-утилизатор с температурой порядка 500 – 600 °С. В котле утилизаторе происходит их охлаждение до температуры порядка 120 °С. Утилизация тепла продуктов сгорания происходит за счет подачи в котел-утилизатор воды питательным насосом. В котле утилизаторе происходит нагрев и испарение воды, а также перегрев пара относительно температуры насыщения.
Перегретый водяной пар из котла-утилизатора поступает в паровую турбину. Расширяясь в ступенях турбины пар охлаждается, совершает работу по преодолению сил сопротивления электрогенератора. В результате чего вырабатывается электрическая энергия.
Отработавший в турбине пар конденсируется в конденсаторе, теряя часть подведенного в котле-утилизаторе тепла продуктов сгорания. Это тепло отводится в окружающую среду. Образовавшийся конденсат питательным насосам подается вновь в котел для подогрева и испарения.
Цикл парогазовой установки с котлом-утилизатором
Цикл парогазовой установки называется комбинированным циклом Брайтона-Ренкина. На рисунке он изображен в T-s координатах. Описание цикла Брайтона-Ренкина:
- Процесс 1-2д – политропное (с увеличением энтропии) сжатие воздуха в компрессоре.
- Процесс 2д-3 – изобарный подвод тепла к рабочему телу. Процесс проходит в камере сгорания. При сгорании топлива выделяется тепло Q1.
- Процесс 3-4д – политропное расширение рабочего тела в газовой турбине с совершением работы.
- Процесс 4д-5 – изобарное охлаждение продуктов сгорания в котле-утилизаторе.
- Процесс 5-1 – условный процесс для замыкания цикла.
- Процесс 6-7д – расширение пара в паровой турбине с совершением работы.
- Процесс 7д-7’ – изотермическая конденсация отработавшего в паровой турбине водяного пара.
- Процесс 7’-8д – сжатие воды в питательном насосе.
- Процесс 8д-6 – подогрев до температуры насыщения (кипения), изотермическое испарение воды и перегрев пара в котле-утилизаторе.
Порядок создания модели парогазовой установки с котлом-утилизатором в DWSIM
Запустите программу DWSIM, выберите File->New Chemical Process Model
В окне конфигурации выберите компоненты:
- Вода — Water
- Метан – CH4
- Кислород – O2
- Азот – N2
- Углекислый газ – CO2
Добавьте пакет расчета свойств веществ:
- Steam Tables (IAPWS-IF97) – для расчета свойств воды и водяного пара.
- Peng-Robinson — уравнения состояния Пенга-Робинсона для расчета свойств воздуха, топлива, топливо-воздушной смеси и продуктов сгорания.
Выберите систему измерений как на рисунке ниже
Исходные данные
- Мощность ГТУ – 40+N МВт. (N-номер варианта)
- Параметры воздуха на входе в компрессор:
- Давление 0,101325 МПа
- Температура +15 °С
- Давление воздуха после компрессора – 1,5 МПа.
- Температура рабочего тела перед газовой турбиной – 1200-10*N°С
- КПД компрессора, газовой турбины, паровой турбины, питательного насоса – 0,8
- Давление питательной воды на выходе насоса 8 МПа.
- Давление отработавшего в турбине пара 0,005 МПа.
- Температура перегретого пара 450°С.
Перечисленных исходных данных зачастую достаточно чтобы рассчитать:
- Расходы топлива и воздуха на ГТУ
- Параметры рабочих тел по циклу Брайтона-Ренкина
- Расход пара котла-утилизатора
- Мощность паротурбинной установки
- Затраты мощности на привод питательного насоса
- КПД парогазовой установки с котлом-утилизатором
Модель газотурбинной установки
В модель ГТУ входят следующие компоненты:
- Компрессор
- Камера смешения
- Камера сгорания
- Турбина
Перенесите указанные компоненты из панели инструментов область построения модели
Введите исходные данные в каждый компонент кликнув по соответствующему объекту
Воздух с содержанием кислорода O2 21% и азота N2 79%. Содержанием остальных компонентов в воздухе пренебречь.
Введите параметры топлива
Введите исходные данные для компрессора и газовой турбины
Горение метана описывается химической формулой:
Внести в модель реакцию горения метана CH4. Выполнить расчет кнопкой Solve.
После запуска расчета, должны появиться предварительные результаты симуляции, свидетельствующие о выполнении расчета.
Следующим этапом будет определение оптимального соотношения топливо-воздух, обеспечивающее заданную температуру продуктов сгорания перед газовой турбиной. Для этого установите и настройте блок контроллер как на рисунке ниже. Блок сам методом итераций подберет расход топлива для достижения заданной температуры.
Внимание. Для достижения сходимости преднамеренно расход воздуха установите значительно выше ожидаемого.
После достижения заданной температуры и отсутствия недожёга топлива контроллер можно удалить.
Установить и настроить блок зависимости расходов воздуха и топлива для фиксирования соотношения топлива-воздух. После этого температура продуктов сгорания при любом расходе воздуха будет равна заданной величине путем вычисления расхода топлива.
Далее подбором определяется расхода воздуха, при котором мощность ГТУ достигнет заданной величины:
Nгту = Nгт – Nк
Nгт – мощность газовой турбины; Nк – мощность компрессора.
Модель паротурбинного блока
Котел-утилизатор моделируется компонентом «теплообменник».
Вводятся исходные данные для потока питательной воды.
Внимание. Для всех компонентов, где теплоносителем является вода или водяной пар, опцию Property Package следует выбрать Steam Tables (IAPWS-IF97)
Далее собирается схема паротурбинного блока, включающая в себя паровую турбину, конденсатор, насос, блок рециркуляции. И вводятся исходные данные.
Затем с помощью блока контроллер вычисляется расход питательной воды, при котором температура уходящих дымовых газов составит 120 °С
Результаты моделирования и расчет КПД парогазовой установки с котлом-утилизатором
На данном этапе процесс моделирования заканчивается. Далее необходимо вычислить полезную электрическую мощность ПГУ с учетом затрат мощности на собственные нужды:
Nпгу = Nгт – Nк + Nпт – Nгн = 99245,6-59 248,6+27677,4-272,748= 67401,6 кВт = 67,4 МВт.
Электрический КПД парогазовой установки вычисляется как отношение электрической мощности к подведенной теплоте Q1.
Q1=Gкс∙(hг-hсм) = 143,918∙(1379,56-400,003)=140975,9 кВт=140,98 МВт.
ηэ = Nпгу/Q1 = 67,4/140,98=47,8%.
