Курсовая работа

Дисциплина: Режимы работы ТЭС

Тема: Работа энергоблока ПГУ КЭС
на базе ГТУ Ansaldo Energia V64.3A
при изменении температуры наружного воздуха

Текст предоставляется для ознакомления и использования в качестве образца. Модификация только правкой титульного листа и удалением комментариев в угловых скобках с целью выдачи данной работы за свою запрещена и может повлечь преследование по закону и по понятиям!

Выполнил студент гр. 5037/1 ................................................... А. В. Игнатьев

Принял преподаватель .................................................................. Д. А. Трещёв

«___» _________ 2010 г.

Оглавление

Введение............................................................................................................................................. 3

Исходные данные............................................................................................................................... 3

1. Расчёт режима работы ГТУ........................................................................................................... 3

1.1. Описание ГТУ и методика расчёта........................................................................................... 3

1.2. Проверка баланса ГТУ................................................................................................................ 4

2. Расчёт одноконтурной утилизационной ПСУ............................................................................ 5

2.1. Основные расчётные зависимости и допущения.................................................................... 5

2.2. Алгоритм расчёта параметров на режиме................................................................................ 8

2.3. Проверка расчёта КПД ПГУ по обратному методу............................................................... 10

3. Расчёт двухконтурной утилизационной ПСУ.......................................................................... 13

3.1. Основные особенности расчётной модели по сравнению с одноконтурной..................... 13

3.2. Расчёт двухконтурной модели................................................................................................. 13

3.3. Проверка расчёта КПД ПГУ по обратному методу............................................................... 14

Вывод................................................................................................................................................ 19

Список использованной литературы............................................................................................. 20

Приложения:

П.1. Система уравнений, описывающая одноконтурную ПГУ

П.2. Алгоритм расчёта одноконтурной ПГУ

П.3. Система уравнений, описывающая двухконтурную ПГУ

П.4. Алгоритм расчёта двухконтурной ПГУ

П.5. Пример подпрограммы расчёта газоводяного (газопарового) теплообменника

Введение

Парогазовые установки отличаются высоким КПД, рассматри­ваются в перспективе как инструмент покрытия полупиковой электрической нагрузки; значительное количество ПГУ сооружается в настоящее время в России и за рубежом. В данной работе рассматри­вается два варианта энергоблока на базе двух турбин Ansaldo Energia V64.3A: с одним и двумя уровнями давления генерируемого в котле-утилизаторе пара.

Показатели ГТУ в значительной степени зависят от температуры воздуха перед компрессором; при изменении расхода уходящих газов и их температуры меняются и показатели утилизационного парового контура. В данной работе на базе произведённого в курсе «Парогазовые ТЭС» проектирования ПГУ на номинальный режим (при среднегодовых показателях атмосферных условий) рассчитывается режим работы блоков при температуре наружного воздуха, отличающейся от расчётной.

Исходные данные

Режим ПГУ в настоящем расчёте определяется температурой наружного воздуха. Для расчётного режима ПГУ она принята по среднегодовому значению для места установки (Санкт-Петербурга) по СНиП, для переменного задана преподавателем. Она влияет также на работу градирни, что сказывается на температуре охлаждающей воды [см. 1, c. 459].

Таблица 1. Исходные данные к расчёту номинального и переменного режима

Также в работе используются данные проектировочного расчёта номинального режима, представленные далее по тексту.

1. Расчёт режима работы ГТУ

1.1. Описание ГТУ и методика расчёта

Газотурбинная установка V64.3A итальянской фирмы Ansaldo Energia выпускается по лицензии фирмы Siemens (другое название установки SGT‑1000F) с 1997 г. Схема ГТУ представлена на рис. 1. В состав ГТУ входят: 15‑ступенчатый осевой компрес­сор (1) с подвижным входными направляющим аппаратом (ВНА), кольцевая камера сгорания (2), 4^х ‑ступенчатая турбина (3). При частоте вращения вала турбины 5400 об/мин через редуктор (4) может осуществляться привод генератора (5) с частотой вращения как 3000, так и 3600 об/мин.

Работа газотурбинной части ПГУ по расчётной схеме не зависит от работы утилизационной части, поэтому она рассчитывается отдельно в первую очередь. Показатели ISO – это паспортные данные для ГТУ, приведённые для работы на чистом метане на уровне моря, при относи­тель­ной влажности 60% и t _н.в = +15°C, без потерь давления воздуха на входе и газов на выходе. В работе учитывается, что величины темпера­туры за газовой турбиной T ₄ , мощности ГТУ на клеммах генератора N _ГТУ , её КПД и расхода уходящих газов G _ух определяются при соответствующих наружных темпера­турах, входных и выходных потерях давления Δp _вх = 1 кПа, Δp _вых = 3 кПа. Расчёт производится по упрощённой методике по значениям поправок на входные и выходные параметры, приведённых на графиках на рис. 2:

,
где i – одна из величин T ₄ , N _ГТУ , , G _ух ; – поправки соответственно на Δp _вх , Δp _вых и t _н.в (табл. 2).

Пересчёт показателей ГТУ по ISO на расчётные условия

1.2. Проверка баланса ГТУ

Проверка баланса для условий ISO и расчётного среднегодового режима выполнялась в курсе «Парогазовые установки». Аналогичным образом выполним её для переменного режима.

Расход топлива

расход воздуха

тогда с учётом того, что теоретически необходимое количество влажного воздуха , избыток воздуха в уходящих газах

.

Энтальпии уходящих газов данного состава при стандартной температуре и T ₄

,
энтальпии воздуха при стандартной температуре и T ₁

(здесь и далее свойства воздуха и газов отсчитываются от абсолютного нуля по интерполяционным полиномам, приведённым в [2]). Уравнение теплового баланса ГТУ:

.

Энтальпии топлива при стандартных условиях и на входе в КС h _топ ориентировочно равны [3]. Для всех режимов считаем, что КПД генератора, редуктора, механический КПД турбины и КПД камеры сгорания равны соответственно η_ЭГ = 0,985, η_ред = 0,995, η_мех = 0,998, . Тогда левая часть уравнения баланса равна

,
правая

невязка баланса (217 003 − 216 025)/217 003 = 0,0045 = 0,45% – в пределах погрешности расчёта.

2. Расчёт одноконтурной утилизационной ПСУ

2.1. Основные расчётные зависимости и допущения

Схема установки – дубль-блока мощностью 220 МВт – изображена на рис. 3.

<Трещёв: нагрев воды в деаэраторе на номинальном режиме порядка где-то 5 град.>

Конденсатный насос подаёт конденсат в газовый подогреватель конденсата, с выхода которого для предотвращения конденсации часть воды специальным насосом подаётся на вход. Далее вода поступает в деаэратор с постоянным давлением p _д = 0,12 МПа (t _д = 105°C, h ′_д = 439,3 кДж/кг, h ‍″_д = 2683,06 кДж/кг). Выпар из деаэра­тора осуществляется в количестве от расхода конденсата G _к <Трещёв: 10 кг/т!>. Деаэрированная вода питательным насосом с КПД η_пн = 75% подаётся в экономайзер, сопротивление которого . Далее питательная вода следует на всас циркуляционного насоса КПД η_цн = 60%, который преодолевает сопротивление испари­тельной поверхности (от давления в барабане p _б ). Часть воды из барабана, равная от общего количества генерируемого пара, отбира­ется на непрерывную продувку; насыщенный пар частично направляется на обогрев деаэра­тора, остальной поток следует в пароперегреватель () и далее, преодолев сопротивление трубопровода , подаётся с начальными параметрами p ₀ , t ₀ на стопорный клапан турбины, . Относительный внутрен­ний КПД сухих отсеков турбины считаем равным η_{оi сух} = 0,87; потери от влажности учитываем по приближённой формуле Соколова<В расчёте номинального режима обязательно, а то максимум сползает>

y _к = (h ″|p _к – h _{к сух} )(r |p _к +K _вл η_{оi сух} (h ″ – h _кt )),

где K _вл – поправка на среднюю влажность (на сколько процентов падает КПД влажного отсека при её росте на 1%), примем K _вл = 0,5<от 0,5 до 0,9>; h _{к сух} – условная энтальпия влажного пара в конденсаторе, которая была бы там, если бы КПД процесса после достижения паром параметров насыщения (энтальпии h ″) сохранялся на уровне η_{оi сух.} Восполнение потерь рабочего тела в контуре осуществляется в приямок конденсатора насы­щенной водой.

Для упрощения расчётов пренебрегаем потерями с наружным охлаждением элементов, протечками, тепловыделением в конденсатных и рециркуляционных насосах, наличием охладителей пара уплотнений и холодильников эжекторов. Считаем, что принятые относи­тель­ные перепады давления сохраняются на режиме, т. е. на концах любого элемента ; аналогичным образом считаем постоянными КПД насосов и (сухой) турбины. Кроме того, считаем, что циркуляционные и рециркуляционные насосы перемещают те же самые расходы воды G _ц = 119,49 кг/с, G _рец = 55,15 кг/с (для упрощения вычислений все расходы приведены по отношению на один КУ). Температурный напор в конденсаторе линейно зависит от его тепловой нагрузки Q _к = G ₀ r _к x _к :

(индексом 0 отмечены величины при номинальном режиме, чертой – отношения к ним величин на переменном режиме). Турбина между клапанами и конденсатором может быть рассчитана по уравнению Стодолы, которое в данном случае используется в виде

(начальные температуры – в кельвинах).

Для поверхностей теплообмена в котле-утилизаторе можно написать уравнения теплообмена вида

,
где Q_i – теплота, полученная от газов i ‑й поверхностью; k_i – коэффициент теплопередачи; F_i – площадь поверхности теплообмена; <Δt >_i – средний темпера­турный напор, для поверхностей с противотоком

.

Коэффициенты теплопередачи на поверхностях нагрева зависят прежде всего от расхода газов. Из опыта практических наблюдений можем оценить их изменение по формуле k_i = k_{i 0} G _ух . Параметры для элементов КУ отражены в таблице 3.

Помимо теплоты от газов, рабочее тело получает энтальпию от работы насосов:

, ; .

Таблица 2. Параметры поверхностей теплообмена КУ

Составив также уравнения теплового баланса для каждого элемента котла-утилизатора

и для деаэратора

,

можем, в сочетании с материальными балансами элементов, уравнением турбинного процесса и таблицами свойств воды, пара и газов, получить систему уравнений, описывающую ПГУ. Такая система представлена в приложении 1.

2.2. Алгоритм расчёта параметров на режиме

Сложность и нелинейность полученной модели котла-утилизатора не позволяют решать систему уравнений для ПГУ аналитически. Решение с необходимой точностью может быть получено методом последовательных приближений. Задавшись некоторыми начальными значениями ряда параметров, производят расчёт системы по имеющимся формулам и получают уточнённые значения тех же параметров, которые, если они расходятся с принятыми ранее более чем на заданную величину, подставляются в следующую итерацию. Для проведения численного расчёта на сходимость используется алгоритм со вложенными циклами, реализованный на базе электронных таблиц OpenOffice.org Calc с программированием циклов и подстановок на встроенном BASIC.

Форма представления расчётных зависимостей оказывает существенное влияние на скорость и устойчивость сходимости. Например, уравнение Стодолы можно применить для определения начального давления процесса расширения, но следует избегать его применения для расчёта конечного давления, поскольку полученная величина имеет сравнительно большой разброс и процесс вычисления может завершиться ошибкой извлечения корня из отрицательного числа. Также уравнение теплоотдачи

при решении совместно с уравнениями теплового баланса

,
сходится по конечным темпера­турам сред и тепловому потоку достаточно плохо, а может и расходиться (система неустойчива по отклонению температур). Значительно лучше сходится система, где уравнение теплопередачи заменено на эквивалентную подсистему

.<лучше вычитать наоборот>

Данное выражение может быть заложено в отдельную подпрограмму, которая после небольшого числа циклов производит расчёт теплообменника по входным температурам и расходам сред, давлениям пара на входе и выходе, составу уходящих газов и комплексу k_i F_i . Пример такой подпрограммы приведён в приложении 5. Теплофизические свойства веществ в программе определяются по полиномам из [2] (для газов) и формуляции IF‑97 (для воды и пара). Аналогичные выражения для испарительного элемента с известной входной темпера­турой газов и элемента с одной фазой, у которого заданы темпера­туры сред на горячем конце, принимают вид соответственно

, .

Расход греющего пара на деаэратор по отношению к расходу конденсата можно определить как

(следствие из теплового баланса деаэра­тора: теплота насыщенного пара из барабана тратится на догрев конденсата до темпера­туры насыщения в деаэра­торе и испарение выпара, вследствие чего греющий пар конденсируется). Расход конденсата, в свою очередь, должен быть таким, чтобы питать расход пара и продувки и выпар:

,
где – один из параметров сходимости. Зная расход греющего пара, легко найти все расходы по элементам КУ из их материальных балансов.

Кроме того, для улучшения сходимости можно использовать переходы, отличающиеся от простой подстановки нового значения (при этом последовательность таких переходов должна сходиться к требуемой величине). Например, итерации по недогреву в экономайзере выполняют переход в зависимости не только от значения, определённого по расчёту элементов, но и от значений, принятого изначально и полученного на предыдущей итерации (см. алгоритм). Циклы с мало зависящими друг от друга переменными для упрощения алгоритма можно объединять; в самом внешнем (нулевого уровня) цикле все критерии сходимости опять проверяются, и если хотя бы один из них не выполнен, расчёт продолжается (циклы остальных уровней реализованы с постусловием).

Список переменных, определяемых для данного алгоритма методом последовательных приближений, представлен в таблице 4; сам алгоритм приведён в приложении 2. После 51 цикла нижнего уровня (по t ₀ ) алгоритм сошёлся с требуемой точностью, результаты приведены в таблице 5.

Таблица 3. Организация расчёта на сходимость: циклы и переменные

2.3. Проверка расчёта КПД ПГУ по обратному методу

КПД ПГУ при расчёте определялся по прямому методу

Расчёт по обратному методу базируется на анализе потерь:

.

Потери энергии в ПГУ включают следующие компоненты:

· теплота уходящих газов, за вычетом теплоты воздуха и топлива,

Q _ух = 2(G _ух I _ух –G _в I _в–10 –G _топ h _топ )=2·(226,47·472,98–222,02·225,63–4,46·1579,7) =
= 79 083 кДж/с;

· теплота, отводимая в конденсаторе, Q _к =2G ₀ (h _к –h _к ´)=2·28,57·(2323,49–142,16)=
= 128 093 кДж/с;

· потери в ГТУ в генераторе, на трение в подшипниках и редукторе и наружное охлаждение

· потери в генераторе и на трение в утилизационной установке

ΔN _пт = N _г (1/(η_м η_г )–1) = 64540·(1/(0,995·0,985)–1) = 1303 кДж/с;

· потери с рабочим телом (выпар, продувка) с отсчётом от энтальпии подпитки

полученное расхождение 0,02 можно объяснить небалансом ГТУ (0,45%), принятыми величинами расхождения при расчёте на сходимость и неточностью методики обратного подсчёта (в знаменателе физическая теплота топлива не учтена, в числителе она отсчитывается от условного уровня абсолютного нуля, не совпадающего в силу реально-газовых свойств метана с аналогичной точкой отсчёта для уходящих газов).

Таблица 4. Результаты итеративного расчёта одноконтурной ПГУ

3. Расчёт двухконтурной утилизационной ПСУ

3.1. Основные особенности расчётной модели по сравнению с одноконтурной

Схема ПГУ с паровым циклом двух давлений приведена на рис. 7. Из общего ГПК конденсат поступает в деаэра­тор и разделяется на два потока, подаваемые двумя независимо регулируемыми группами питательных насосов различного напора и подачи в два экономайзера. Испаритель низкого давления установлен в рассечку экономайзера высокого давления (ЭкВ), экономайзер низкого давления параллелен первой ступени этого экономайзера (условно считаем, что перепад давления поделён между двумя ступенями ЭкВ поровну). Вторая ступень ЭкВ параллельна пароперегревателю низкого давления (ПеН). Деаэратор обогревается насыщенным паром низкого давления; весь пар высокого давления поступает через ПеВ в голову турбины. На той ступени, где это возможно, к нему подмешивается свежий пар низкого давления, и далее оба потока работают совместно до конденсатора; камера смешения учитывается как перепад давления δp _кс = 0,03 для обоих потоков. Таким образом, система уравнений для турбины состоит из условия согласования потоков по давлению и уравнений Стодолы для отсеков

, (1)

, (2)
где p _смв – давление отработавшего потока пара высокого давления перед смешением. Для камеры смешения можно также записать тепловой баланс

.

Расчёт котла-утилизатора производится аналогично предыдущему варианту, с отсчётом энтальпий от выхлопа газовой турбины. Сложность представляет запись уравнений теплообмена для элементов КУ с параллельными потоками (ЭкВ1 и ЭкН, ЭкВ2 и ПеН), которые являются трёхпоточными теплообменниками. Поскольку для номинального режима принято, что оба потока влияют на темпера­туру газов одинаково, фактически в этом случае они представляют собой два параллельно включённых по газам двухпоточных теплообменника, расход газов между которыми распределён пропорционально тепловосприятию соответствующих пучков. Учитывая, что параметры охлаждения газов и на переменном режиме остаются близки и любой уровень их смешения между пучками мало повлияет на результат, можем продолжать считать потоки газов около параллельных поверхностей разделёнными. Тепловой баланс элемента «а+б» с параллельными поверхностями «а» и «б» по газам будет записан как

.

3.2. Расчёт двухконтурной модели

3.3. Проверка расчёта КПД ПГУ по обратному методу

Проверка ведётся аналогично предыдущему пункту, с учётом потерь на продувку из двух контуров.

Q _ух = 2(G _ух I _ух –G _в I _в–10 –G _топ h _топ )=2·(226,47·382,3–222,02·225,63–4,46·1579,7) =
= 41 173 кДж/с;

Q _к =2ΣG ₀ (h _к –h _к ´)=2·35,64·(2330,31–142,16) = 155 924 кДж/с;

ΔN _пт = N _г (1/(η_м η_г )–1) = 74025·(1/(0,995·0,985)–1) = 1504 кДж/с;

прямым методом получалось 0,522; причины расхождения аналогичны предыдущему пункту.

Таблица 5. Параметры поверхностей теплообмена двухконтурного КУ

Таблица 6. Организация расчёта на сходимость: циклы и переменные

Таблица 7. Результаты итеративного расчёта двухконтурной ПГУ

Вывод

Итоги расчёта параметров ПГУ и их изменения по сравнению с номинальными при снижении темпера­туры окружающего воздуха на приведены в следующей таблице.

Таблица 8. Итоги расчёта (величины и их приращения от номинальных)

При снижении темпера­туры окружающего воздуха растёт расход газов и снижается их темпера­тура. Хотя в конвективных поверхностях нагрева при росте расхода усиливается теплообмен, для пароперегре­вателя влияние темпера­туры сильнее, и t ₀ падает. Аналогичным образом снижается удельное тепловосприятие испарителя, а значит, удельный расход пара. Однако для испарителя низкого давления из-за повышения энтальпии уходящих газов и снижения отбора от них тепла эффект получается уже противоположный; в любом случае растёт темпера­тура уходящих газов, и, следовательно, снижается КПД ПГУ. Снижение КПД менее выражено на одноконтурной установке, где рост абсолютного расхода пара компенсирует для паровой турбины снижение его параметров, но всё равно на двухконтурной он остаётся выше. При этом мощность всей ПГУ в зоне работы ГТУ при T ₄ = const. растёт при снижении температуры перед компрессорами.

Список использованной литературы

1. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник / Под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. М., 1989.

2. Ривкин С. Л. Термодинамические свойства газов: Справочник. М., 1987.

3. Загорученко В. А., Журавлев А. М. Теплофизические свойства газообразного и жидкого метана. М., 1969.

4. Ромахова Г. А. Газотурбинные установки электростанций. СПб., 2008.

5. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология.

6. Gas Turbines: Ansaldo Energia: A Finnmeccanica Company. Recco, 2008. (загружено по ссылке http://www.ansaldoenergia.com/PDF/Gas_Turbines.pdf)

Рис. 2. Графики поправочных коэффициентов для ГТУ

Рис. 5. T – H диаграммы одноконтурного котла-утилизатора

Рис. 6. Процессы расширения в паровой турбине одного давления

Рис. 8. T – H диаграммы двухконтурного котла-утилизатора

Рис. 9. Процессы расширения в паровой турбине двух давлений

Приложение 1. Список формул для расчёта режима одноконтурной ПГУ

котёл

деаэра­тор

У.М.Б.: ; У.Т.Б.:

турбина

Давления:

Уравнение Стодолы:

Уравнение процесса: , y _к = (h ″|p _к – h _{к сух} )(r |p _к +K _вл η_{оi сух} (h ″ – h _к |_{s ″} ))

конденсатор

Ур. теплообмена: Q _к = G ₀ r _к x _к ,

У.М.Б.:

Приложение 3. Список формул для расчёта режима двухконтурной ПГУ

котёл

деаэра­тор

У.М.Б.: ; У.Т.Б.:

турбина

Давления: ,

Уравнение Стодолы: см. ajhveks (1, 2)

Смешение потоков:

Уравнение процесса: , , y _к = (h ″|p _к – h _{к сух} )(r |p _к +K _вл η_{оi сух} (h ″ – h _к |_{s ″} ))

конденсатор

Ур. теплообмена: Q _к = G _0в+н r _к x _к ,

У.М.Б.: