ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

EFFICIENCY OF ENERGY USE IN INDUSTRIAL HEAT POWER SYSTEM

Ekaterina Novikova

Student, department of industrial heat power engineering, Smolensk branch of the Moscow Energy institute,

Russia, Smolensk

Vitaly Sidorov

Master student, department of industrial heat power engineering, Smolensk branch of the Moscow Energy institute,

Russia, Smolensk

АННОТАЦИЯ

В статье исследована проблематика эффективности использования энергии в теплоэнергетических системах. Использованы расчетно-конструктивный и абстрактно-логический методы исследования. Предложены способы повышения эффективности в теплоэнергетической системе.

ABSTRACT

The article examines the problem of energy efficiency in heat and power systems. Computational-constructive and abstract-logical research methods were used. Methods for increasing efficiency in a heat and power system are proposed.

Ключевые слова: эффективность, газовая турбина, термодинамические параметры.

Keywords: efficiency, gas turbine, thermodynamic parameters.

Надстроечные энергетические системы, в состав которых входят газотурбинные и парогазовые установки, играют всё возрастающую роль в структуре энергетических мощностей, используемых как в большой, так и в малой энергетике, вследствие их высокого КПД, высокой маневренности и умеренной удельной стоимости где-то 350$ за один КВт установленной мощности при хорошем выполнении требований по надежности и воздействии на окружающую среду, предъявляемых к оборудованию тепловых электростанций. Схемы как газотурбинных, так и паротурбинных постоянно совершенствуются с целью повышения экономичности, маневренности выражаемой коэффициентом полезного действия КПД и способностью оперативно набирать мощность.

Повышение эффективности системы ГТУ-ПТ возможно двумя путями. Первый подход –термодинамический, это приближение к предельно достижимому КПД Карно в настоящее время это возможно осуществить путем повышения температуры горячего источника и повышением давления рабочего тела.

Хорошо известная из физики формула Карно для КПД имеет вид:

КПД=1-Тх.и./Тг.и.

Где: Тх.и., Тг.и.- соответственно температуры холодного и горячего источников тепловой машины.

Для стационарных газовых турбин, температура газов перед входным аппаратом достигнута 1500 градусов, при степени повышения давления в компрессоре более 20, что достигнуто путем внедрения новых материалов: моно-кристаллических лопаток, хромистых сталей для дисков роторов турбин, высокопрочного чугуна с шаровидным графитом для корпусов, оригинальной технологии охлаждения паром элементов камер сгорания, статорных и роторных частей турбины, с дальнейшим использованием пара в паровом цикле. Эти решения позволили приблизить собственный КПД газотурбинной установки приблизить к 40% при предельно термодинамически достижимом для температуры выхлопа 800 градусов 42%. Для паровых турбин температура пара доведена до 640 градусов и соответственно термический КПД составляет 63% достигнутый внутренний 40%.

Второй подход можно назвать схемно-технологическим. Парогазовая система, это каскадная термодинамическая система по срабатываемому располагаемому температурному перепаду.

Если рассмотреть совместную Т-S диаграмму газотурбинной и паротурбинной установок, то видно, что чем выше Тг.и. ниже Тх.и. тем выше термодинамический КПД.  В современных стационарных промышленных газотурбинных установках температура газов перед турбиной достигает 1500 градусов, а температура пара перед паровой турбиной 640 градусов при таких условиях термический предельно достижимый КПД по формуле Карно составит 84%, уверенно достигаемый КПД парогазовых систем составляет 60%. Если комбинированный цикл состоит из ГТУ и присоединенного паросилового цикла, то КПД установки определяется:

КПДпгу=fгту*КПДгту+(1-fгту*КПДгту)*КПДпсу

Где: fгту-относительная доля тепла подводимого в ГТУ от общего количества, подводимого в ПГУ.

Такие установки называются бинарным, и когда весь расход топлива поступает в камеру сгорания ГТУ, а присоединенная паросиловая часть использует только тепло отработавших в ГТУ газов. Величина fгту характеризует степень бинарности парогазовой системы.

Из ряда циклов, применяемых в энергетике бинарный цикл имеет наибольшие возможности оптимизации и модернизации. Учитывая, что в таких ПГУ газотурбинная установка является опорным элементом для успешной оптимизации системы, присоединённая паросиловая часть на характеристики всей системы оказывает меньшее влияние. Экономичность ПГУ зависит от глубины утилизации тепла выхлопных газов и работоспособности пара, вырабатываемого за его счет. В свою очередь результативность работы пара в паровой турбине определяется его давлением и сопряженной с ним температурой - чем выше параметры пара, тем больше работоспособность пара. Однако глубина охлаждения выхлопных газов и получение пара с высоким давлением входят в противоречие.

Главный технический принцип, который должен соблюдаться при подъеме термодинамических параметров рабочего тела - это обеспечение максимально возможной температуры рабочего тела при минимальных оправданных технико-экономически температурных напорах между газо-турбинной надстройкой базой, состоящей из парового цикла. Эффективность системы в целом будет зависеть от коэффициента процесса передачи тепла от выхлопных газов ГТУ к паровому циклу. Здесь необходимо организовать максимально возможную передачу тепла к нижней схеме в общем термодинамическом цикле, что может быть организовано при встречном движении тепло-обменивающихся сред.

В надстроенных ГТУ паровых циклах последних поколений в настоящее время применяются барабанные паровые котлы-утилизаторы с давлением пара в контуре высокого давления до 14 МПа. Во всех паро-генерирующих контурах применяется либо принудительная, либо естественная циркуляция воды в нагревательном контуре котла. Как правило, в горизонтальных котлах-утилизаторах применяется естественная циркуляция, а в вертикальных — принудительная или естественная. В последнем случае для побуждения циркуляции при пусках котла-утилизатора предусматриваются специальные устройства или пусковые циркуляционные насосы.

Конструктивные особенности таких систем требуют развитых тепло-обменивающихся поверхностей и учета гидродинамических параметров при организации противоточного движения теплоносителей. Так, например, испарители должны иметь развитые конвективные поверхности нагрева и, соответствующую компоновку в газоходах, где должно быть организовано опускное движение в вертикальных котлах и подъёмно-опускное в горизонтальных котлах для улучшения показателей теплообмена необходимо разработать гидро-динимические способы турболизации потоков теплообменивающих сред. Как следует из предыдущего раздела, применение сверхкритических параметров пара повышает КПД ПГУ, а для реализации перехода на эту ступень параметров пара прямоточные течения должны быть исключены поскольку технически иное невозможно. В заключение следует сказать, что многоступенчатость системы вызывает дополнительные потери, обычно вызываемые конечной разностью температур рабочих тел, при передаче тепловой энергии между ступенями.

При всех перечисленных особенностях, как термодимнамических, так и технических, надстроенные системы в процессе эксплуатации выявили одну проблему режимного характера, а именно почти полное отсутствие нагрузки по тепловой энергии в летний период, что приводит к необходимости отключения надстроенного газо-турбинного цикла. Такой вынужденный режим работы не обеспечивает экономичность работы системы летом, поскольку рентабельность всей системы рассчитана с учетом введения, как показывают термодинамические расчеты не обоснованной, цены на тепловую энергию. При этом считая, что тепловая энергия как будто производится на простой котельной без какой-либо когенерации. Отсутствие тепловой нагрузки летом обусловлено распадом промышленного сектора экономики, вызванного как кризисными ситуациями, и так и рядом принятых не правильных экономических и управленческих решений.

Список литературы:

1. Ольковский Г.Г., ГончаковВ. В. Основные технические направления и тенденции развития свободного рынка газотурбинной и парогазовой тематики (обзор). М.ВТИР. 2017.
2. Подгорный Г. К. Применение газотурбинных и парогазовых технологий при вынужденной реконструкции ТЭЦт и котельных. /Г. К. Подгорный . // Электричекие станции. -2012. - № 5.