ИССЛЕДОВАНИЕ ПГУ С НИЗКОНАПОРНЫМИ ПОДОГРЕВАТЕЛЯМИ В ПРОГРАММЕ GC

STUDY OF CCGT WITH LOW-PRESSURE STEAM GENERATORS IN THE GC PROGRAM

Kakharman Kazhimov

Master's student, Department of Heat & Power Units, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev

Kazakhstan, Almaty

Nina Borissova

Supervisor, Cand. Sc. Physics and mathematics, docent, Department of Heat & Power Units, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

Представлены результаты моделирования ПГУ с низконапорными подогревателями с использованием программного обеспечения Gate Cycle, в котором на основе обработки исходной информации установлены необходимые выходные параметры для выбора оптимальных параметров ПГУ. Показано поэтапное формирование моделей элементов схемы ПГУ, на ос­новании чего можно производить мониторинг изменения определяющих параметров и возможность установления диапазона оптимальных значений параметров ПГУ в целом.

ABSTRACT

The article presents the results of modeling of CCG with low-pressure heaters using the Gate Cycle software, in which the necessary output parameters for selection of optimal parameters of CCG are set based on processing of the initial information. It is shown the step-by-step formation of models of elements of the GGP scheme, based on which it is possible to monitor the change of defining parameters and the possibility of establishing a range of optimal values of parameters of GGP in general.

Ключевые слова: газотурбинная установка (ГТУ), парогазовая устанока (ПГУ), программа Gate Cycle (GC), низконапорный подогреватель (НП), моделирование схем, показатели работы парогазовой установки, сравнительный анализ.

Keywords: gas turbine plant (GTP), combined cycle plant (CCGT), Gate Cycle (GC) program, low pressure preheater (LP) performance of a combined cycle gas plant, circuit modeling, comparative analysis.

Вводная часть

Программа Gate Cycle широко используется в промышленности, исследованиях и образовании в области энергетики и теплотехники [1,2]. Она помогает инженерам и научным работникам более точно моделировать и анализировать процессы, связанные с производством энергии, что позволяет оптимизировать работу установок и повышать их эффективность.

Gate Cycle может использоваться для моделирования тепловых и энергетических процессов в газовых турбинах и парогазовых установках, включая установки с низконапорными подогревателями.

Для ПГУ с низконапорными подогревателями Gate Cycle может использоваться для проектирования и анализа различных циклов работы установок, включая цикл Ренкина и цикл Брайтона с дополнительным подогревом воды, а также позволяет оптимизировать работу установки, включая увеличение эффективности и мощности, а также снижение расхода топлива и выбросов.

В задачи исследования входило: овладение программным продуктом GC, составление модельной схемы ПГУ с НП, расчет процессов в ПГУ, оценка эффективности и оптимизация процессов, визуализация результатов и анализ.

В Казахстане пока нет действующих ПГУ, поэтому при проектировании и выборе новых ПГУ необходимо ориентироваться на результаты моделирования, и программа GC дает такую возможность.

Назначение, структура и возможности программной среды Gate Cycle при моделировании ПГУ

Gate Cycle - программная среда, специально разработанная для моделирования и анализа энергетических систем.  Она позволяет проектировать, анализировать и оптимизировать циклы работы паровых и газовых турбин, установок по производству электроэнергии и других технических систем, в частности, различные компоненты и процессы в ПГУ, провести исследования с изменением определяющих параметров [1, 2].

Gate Cycle предоставляет собой удобный инструментарий для расчета параметров работы установок, включая эффективность, мощность, теплопередачу, расходы топлива и другие важные параметры. Он также позволяет проводить детальный анализ каждого элемента схемы и ступени процесса для улучшения общей производительность установки.

Программа GateCycle состоит из следующих компонентов:

• редактора системы, который позволяет создавать и настраивать энергетические системы, определять компоненты и их связи;
• библиотеки компонентов, включающей широкий набор компонентов, таких как турбины, компрессоры, теплообменники и другие;
• модуля расчета, который обеспечивает выполнение расчетов и анализ процессов работы системы;
• модуля результатов и отчетов, который позволяет визуализировать и анализировать результаты моделирования и создавать отчеты.

Программа Gate Cycle предоставляет следующие возможности для моделирования ПГУ:

• создавать энергетические системы с различными компонентами;
• проводить расчеты процессов работы системы, включая тепловые и механические потоки;
• анализировать энергетическую эффективность, производительность и другие параметры системы;
• оптимизировать работу системы путем изменения параметров компонентов и анализа их влияния на процессы.

Структура модели ПГУ с низконапорным парогенератором в GC

Рисунок 1. Простая тепловая схема ПГУ с НП

«Сбросные» ПГУ, или ПГУ с низконапорным парогенератором, представляют собой систему, в которой выхлопные газы от ГТУ направляются в энергетический котел, вместо того чтобы быть выброшенными в атмосферу [3-5]. В этих системах тепло, содержащееся в выхлопных газах ГТУ и содержащее достаточное количество кислорода, используется для подогрева воздуха в энергетическом котле, что позволяет заменить воздух, подаваемый дутьевыми вентиляторами из атмосферы. Таким образом, сбросная схема исключает необходимость использования воздухоподогревателя в котле, так как выхлопные газы ГТУ обладают высокой температурой.

Главным преимуществом сбросной схемы является возможность применения экономически выгодных и недорогих энергетических твердых топлив в паротурбинном цикле. В сбросной ПГУ топливо не только подается в камеру сгорания ГТУ, но и направляется в энергетический котел, причем ГТУ работает на легком топливе, таком как газ или дизельное топливо, в то время как энергетический котел может использовать любое доступное топливо. Это позволяет обеспечить гибкость в выборе топлива и повысить экономическую эффективность работы ПГУ сбросного типа.

ПГУ с НП обладает рядом преимуществ [3-5]:

• высокая энергетическая эффективность при использовании отходящих газов для генерации пара, позволяющая повысить общую энергетическую эффективность системы;
• гибкость и регулируемость, так как ПГУ может быстро реагировать на изменения нагрузки и обеспечивать стабильное производство энергии;
• использование отходящих газов для дополнительной генерации пара помогает снизить выбросы в атмосферу, что способствует экологической устойчивости;
• ПГУ с НП компактнее по сравнению с отдельными паровой и газовой турбинами, что облегчает установку и эксплуатацию.

Для моделирования ПГУ сбросного типа в программе Gate Cycle последовательно выполнены следующие действия:

• загрузка программы и ознакомление с интерфейсом;
• создание трех модельные схемы ПГУ сбросного типа, представляющие одноконтурный, двухконтурный и трехконтурный варианты, с использованием инструментов программы для добавления и связывания компонентов схемы, таких как ГТУ, энергетический котел, турбина и конденсатор;
• ввод различные данные ГТУ в каждую схему, включая его технические характеристики, рабочие параметры и эффективность, проведение сравнительного анализа и оценка производительности;
• сравнение определяющих параметров таких, как выходная мощность, КПД, расход пара.

В процессе работы с программой Gate Cycle возникали некоторые сложности и проблемы. Некоторые из них включали вопросы по настройке и конфигурации модельных схем, понимание и правильное использование инструментов программы, а также интерпретацию полученных результатов, которые решались с помощью документации, а также собственным усилиям изучении программ.

Экспериментальная часть. Моделирование схем ПГУ с НП в программе GateCycle

На рисунке 2 показана модельная схема в программе GateCycle с использованием таких компонентов как Data Turbine Gas (ГТУ), Super Heater (Перегреватель), Evaporator (Испаритель), Economizer (Экономайзер), Steam Turbine (Паровая турбина), Condensator (Конденсатор), Pump (насос).

Рисунок 2. Схема ПГУ с НП в программной среде GC

В Таблице 1 представлены подробные данные о схеме ПГУ, включая характеристики компонентов, входные и выходные параметры и другие релевантные показатели.

Рассмотрены варианты схемы с разными ГТУ.

В первом варианте была использована ГТУ, параметры которой подобрала программа. При подборе основной упор делается на повышение КПД. Во втором варианте использована ГТУ Siemens V94.2A 50Hz -98 Vendor. По этим данным видно, что в первом варианте программа подобрала оптимальные параметры выходных газов: P = 101,3 кПа, Т =860К, W = 419 кг/с, энтальпия h = 627,8 кДж/кг, Номинальная мощность равна 150 000 кВт, КПД равен 51,9%.

В варианте с ГТУ Siemens V94.2A параметры выходных газов: P = 101,3 кПа, Т =853,35К, расход газов W = 529 кг/с, энтальпия h = 627,8 кДж/кг, Номинальная мощность будет равна 189 168.9кВт, а КПД равен 51,8%.

Таблица 1.

Результаты расчета цикла схемы ПГУ с НП в программе Gate Cycle

Для выполнения расчета модели с двухконтурной ПГУ с НП внесены следующие изменения: в схему энергетического котла добавлен барабан, еще один контур с котлом утилизатором и паровой турбиной, после ГТУ был добавлен элемент DUCT (воздуховод), который использовался для моделирования перепадов давления газового потока и изменений температуры.

Рисунок 3. Схема двухконтурной ПГУ с НП в программной среде GC.

Таблица 2.

Результаты расчета цикла схемы двухконтурной ПГУ с НП в программе Gate Cycle

По данным схемы с двухконтурной ПГУ видно, что в первом варианте программа подобрала оптимальные параметры для ГТУ выходных газов:  P = 101,3 кПа, Т =860К , W = 419 кг/с, энтальпия h = 627,8 кДж/кг, Номинальная мощность  равна 150 000 кВт, а КПД равен 51,9%.

В варианте с ГТУ Siemens V94.2A параметры выходных газов: P = 101,3 кПа, Т =853,35К, расход газов W = 529 кг/с, энтальпия h = 627,8 кДж/кг, Net Power (Номинальная мощность) равна 189 168.9кВт, а КПД равен 51,8%.

Для выполнения расчета модели трехконтурной ПГУ сбросного типа, была выбрана готовая модель ПГУ из библиотеки, после чего была изменена с добавлением ГТУ к схеме. Автоматически программа добавила в отчет результаты первоначальной схемы без ГТУ, что дало возможность сравнить с другими результатами. По этим данным видно, что КПД ПГУ без ГТУ равен 40,2%, с ГТУ Siemens V94.2A - 40.9%. С ГТУ, которую задает программа, параметры выходных газов ГТУ: P = 101,3 кПа, Т =860,15К, расход газов W = 419 кг/с, энтальпия h = 629,32 кДж/кг, номинальная мощность равна 150 000 кВт, КПД - 41,9%.

Рисунок 4. Схема трехконтурной ПГУ с НП в программной среде GC

Таблица 3.

Результаты расчета цикла схемы трехконтурной ПГУ с НП в программе Gate Cycle

Выводы

Таким образом, в ходе исследования с использованием программы Gate Cycle были созданы и проанализированы три схемы ПГУ: одноконтурная, двухконтурная и трехконтурная. Каждая схема была оптимизирована, при этом изменялись параметры ГТУ с целью сравнения и оценки их влияния на эффективность ПГУ.

Полученная выходная информация, обработанная программным обеспечением Gate Cycle, представляет перечень ключевых показателей, которые являются существенными для эксплуатационного персонала тепловых электростанций при оценке эффективности работы паровой турбины. Это свидетельствует о том, что разработанный диагностический модуль в программе Gate Cycle является полезным инструментом для оценки функционирования ПГУ и ее составных частей.

Кроме того, в ходе исследования был предложен перечень свидетельств неисправностей, которые могут быть использованы эксплуатационным персоналом для диагностики состояния конденсационной установки паровой турбины. Это поможет оперативно выявлять и устранять возможные проблемы и неисправности, что в свою очередь способствует повышению эффективности работы ПГУ и обеспечению его надежной эксплуатации.

Проведенное исследование подтверждает пригодность программы Gate Cycle для моделирования и анализа ПГУ с низконапорными парогенераторами, а также выявляет возможности оптимизации работы ПГУ и диагностики его состояния. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании ПГУ и в практической деятельности эксплуатационного персонала для повышения эффективности и надежности работы станции.

Список литературы:

1. GATECYCLE ô GETTING STARTED & INSTALLATION GUIDE by The General Electric Company
2. History of the GateCycle™ Application // GateCycle Overview // Program’s Description // GateCycle™ Application Version 6.0 SP4, 2010.
3. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов/Под ред. С.В. Цанева. – М.: Издательство МЭИ, 2002. – 584с.
4. Газотурбинные энергетические установки : учебное пособие для вузов по направлению "Теплоэнергетика" / С. В. Цанев, и др.; Ред. С.В. Цанев. – М.: Изд. дом МЭИ, 2011 . – 428 с.
5. Трухний А.Д., Парогазовые установки электростанций: учебное пособие для вузов по направлениям "Энергетическое машиностроение", "Теплоэнергетика и теплотехника" / А.Д. Трухний. – М.: Изд. дом МЭИ, 2013 . – 648 с.