РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПГУ-110 В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР ОКРУЖАЮЩЕГО ВОЗДУХА

На Астраханской городской районной электростанции (ГРЭС) в составе энергетического комплекса ПГУ-110 в качестве основных тепловых двигателей установлены две газотурбинные установки (ГТУ) модели LM6000 PF Sprint производства компании «General Electric» (США). После ГТУ выхлопные газы поступают в два паровых котла-утилизатора (КУ) модели КГТ-44/4,6-435-13/0,5-210 производства ЗАО «Белэнергомаш» (Россия), а пар, генерирующийся в КУ, направляется на паровую турбину модели Т-14/23- 4,5/0,18 производства ОАО «Калужский турбинный завод» (Россия).

Известно, что параметры газотурбинной установки (ГТУ) существенно зависят от температуры окружающего воздуха и ее повышение приводит к снижению мощности, коэффициента полезного действия (КПД), а также, к повышению удельного эффективного расхода топлива ГТУ. Для Астраханского региона характерны высокие температуры окружающей среды, которые в летний период превышают +40 0С, что приводило к снижению КПД и мощности всей парогазовой установки (ПГУ), которые приводят к дефициту электрической энергии.

Для решения этой проблемы в 2015 году на ПГУ-110 была произведена модернизация и установлены две абсорбционные холодильные машины производства «SHUANGLIANG», предназначенные для снижения температуры воздуха, поступающего в компрессоры двух газовых турбин ПГУ-110 в жаркий период. Однако, в настоящее время нет расчетного метода, который бы помог прогнозировать максимальную эффективность применения такого способа охлаждения применительно к энергетическим блокам других мощностей в городе Астрахани.

На рисунке 1, согласно источников [1-2] представлен график реального изменения мощности ГТУ LM6000 PF Sprint от температуры окружающего воздуха без применения какого-либо охлаждения воздуха на входе в компрессор.

Нами был произведен оценочный расчет для определения тенденции изменения характеристик ПГУ-110 без применения охлаждения входного воздуха в течение года в зависимости от средней температуры окружающего воздуха.

В качестве методики для расчета эффективных параметров ГТУ нами была выбрана методика Л.И. Слободянюка и В.И. Полякова [3]. Данная методика позволяет рассчитать параметры ГТУ с двумя турбинами – высокого давления (ТВД) и низкого давления (ТНД). То есть, расчетная методика, которая была использована, может быть применена для исследуемой ГТУ. Помимо этого, был произведен расчет паропроизводительности КУ, а также, оценена мощность паровой турбины (ПТУ) и суммарная мощность ПГУ-110, используя рекомендации источников [3-5].

Расчет параметров цикла ГТУ, КУ, ПТУ и ПГУ при температуре окружающего воздуха +15 0С

произведен в программном комплексе Microsoft Excel. Рассмотрим сходимость расчетных результатов с реальными значениями по данным [1-2, 6-9] основных параметров ПГУ-110 (таблица 1).

Таблица 1 – Степень сходимости рассчитанных и реальных значений номинальных параметров ПГУ-110 (без применения охлаждения воздуха) при температуре окружающего воздуха +15 0С

Как видно по результатам таблицы 1, отклонения расчетных значений от реальных не превышает 5%, что считается удовлетворительной сходимостью при проведении инженерных расчетов. Следует отметить, что удовлетворительная сходимость результатов получена для 9-ти параметров, что в принципе исключает случайную сходимость результатов расчета и реальных значений.

Используя полученную математическую модель, произведем дополнительные расчеты основных  параметров ПГУ. Результаты расчетов по месяцам 2017 года представлены на рисунках 2 – 6 (графики изменения по месяцам мощности, КПД и удельного расхода топлива ГТУ, мощности ПТУ и ПГУ). На графиках представлены и линии тренда (штриховая линия), которые позволяют говорить о хорошей сходимости графиков. Для расчетов использовались среднемесячные температуры в городе Астрахани, согласно источника [10].

Отдельно приведем график изменения среднемесячной температуры окружающего воздуха в 2017 году в Астрахани (рисунок 7), по которой и производился расчет параметров.

По полученным графикам можно сделать следующие выводы:

-    мощность ГТУ без применения охлаждения входящего воздуха изменяется в среднем за год в пределах 10%, что весьма значительно, а при колебаниях температур в большем диапазоне, это изменение будет еще больше;

-    КПД по расчету в период от зимы до лета падает в пределах 2%, но на практике КПД падает вплоть до 7 – 10%, что дополнительно связано с быстрым забиванием фильтров компрессора от пыли;

-        удельный расход топлива уменьшается в зимний период, а в летний период возрастает, что связано с повышением затрат на сжатие воздуха;

-     мощность паровой турбины более стабильна и менее зависима от изменения температуры окружающей среды, хотя уменьшается в зимний период и повышается в летний;

-   общая мощность ПГУ-110 изменяется по такой же форме, как и мощность ГТУ, что подтверждает снижение мощности всего энергетического объекта в летний период и рост в зимний период, не смотря на стабильность мощности ПТУ.

Для оценки эффективности применения системы охлаждения воздуха при помощи абсорбционных холодильных машин применительно к ПГУ-110 следует произвести расчет эффективных показателей ГТУ, КУ и ПТУ при максимальной температуре окружающего воздуха в г. Астрахани без использования системы охлаждения и при использовании подобной системы.

В качестве максимально возможного эффекта, который был достигнут для ГТУ LM6000 Sprint от применения абсорбционной холодильной машины, используем данные по системе ARCTIC производства компании «Energy Concepts C.» (США) [1-2], которая использует тепло отработанных газов после ГТУ. С применением системы ARCTIC, эффективная мощность LM6000 PF Sprint при температуре +35 0С увеличивается до 51 000 кВт.

Согласно источника [10] максимальная среднесуточная температура воздуха в городе Астрахани летом составляет до 35 0С. Произведем расчет параметров ПГУ-110 без установки системы ARCTIC и с учетом ее установки, а результаты расчета приведем в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты расчета параметров ПГУ-110 при температуре окружающего воздуха +35 0С при установке системы ARCTIC и базовом варианте

Сравнение мощностей ГТУ, ПТУ и ПГУ-110 для вариантов без системы и с установленной системой ARCTIC приведены на рисунке 8.

Согласно таблицы 2 и проведенного расчета, при установке системы ARCTIC с одной стороны идет снижение мощности ПТУ на 6,51%, но прирост мощности ГТУ на 33% приводит к общему росту мощности ПГУ-110 на уровне 25,53%. Таким образом, это максимальный эффект, который можно получить от применения адсорбционной холодильной машины по расчетным данным.

Список литературы

1.        Improving Warm Weather Performance of the LM6000. [Электронный ресурс]: http://www.powermag.com/improving-warm-weather-performance-of-the-lm6000.   Дата   обращения: 10.03.2018.

2.        Газовая турбина LM6000 - увеличение производительности. [Электронный ресурс]: http://tesiaes.ru/?p=2416. Дата обращения: 10.03.2018.

3.        Слободянюк Л.И., Поляков В.И. Судовые паровые и газовые турбины и их эксплуатация. - Л.: Судостроение, 1983. - 360 с.

4.        Качан С.А. Расчет тепловой схемы утилизационных парогазовых установок. Методическое пособие. Минск: БНТУ, 2007. – 85 с.

5.        Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М.: Изд-во МЭИ, 2002. – 550 с.

6.        Реконструкция Астраханской ГРЭС с сооружением ПГУ-110. Т.1. раздел 1. Астрахань. – 2010. – 57с.

7.        General Electric. Работа с системой серии LM6000, 2010. – 517 с.

8.        LM6000 Marine Gas Turbine, 2010. – 2 s.

9.        Каталог     продукции      ООО       «Белэнергомаш      –      БЗЭМ».      Котлы-утилизаторы     и      котлы энерготехнологические. Белгород, 2016. – 138 с.

10.     Weatherarchive.ru. [Электронный ресурс]: http://weatherarchive.ru. Дата обращения: 01.03.2018.