Разработка и исследование теплообменных поверхностей ПГУ с улучшенными энергетическими характеристиками

На современном этапе развития энергетики одной из наиболее важных проблем является повышение эффективности, надежности и экологической безопасности действующих электрических станций, работающих на органическом топливе. В связи с этим снижение его удельного расхода является одним из основных путей повышения эффективности ТЭС.

Современные паротурбинные установки на органическом топливе практически во многом достигли предела тепловой экономичности и повышение их экономичности требует перехода на новые, более высокие параметры пара. Кроме того, перспективное энергетическое оборудование должно соответствовать постоянно ужесточающимся нормам на вредные выбросы ТЭС. В настоящее время уменьшение вредных выбросов достигается ценой удорожания и усложнения установок и дополнительных потерь теплоты.

Для успешного решения стоящих перед энергетикой задач необходимо наращивать мощности за счет использования принципиально новых энергетических установок. Основные требования к таким установкам в самом общем виде можно сформулировать следующим образом:

1) существенное улучшение их технико-экономических характеристик по сравнению с паротурбинными установками современных ТЭС;

2) маневренные характеристики их должны обеспечивать эффективное участие в регулировании нагрузки энергосистем;

3) минимальное воздействие на окружающую среду.

Среди новых энергетических установок в значительной степени удовлетворяют перечисленным требованиям парогазовые установки, которые являются разновидностью комбинированных теплоэнергетических установок.

Здесь следует отметить, что в связи с экономическим кризисом в нашей стране, который наблюдается с 1991 года, потребление, а соответственно и производство электроэнергии и в меньшей степени тепловой энергии, все время снижалось. В результате появления резервных мощностей, возникших в результате кризиса, а также вследствие отсутствия необходимых источников финансирования, начиная с 1992 года, на электростанциях России практически не вводятся новые мощности, и не производилась замена агрегатов, выработавших свой ресурс. Поэтому около 79 000 МВт, установленных на тепловых электростанциях в России, уже выработали свой ресурс или их ресурс закончится к 2010 году. Эти выбывающие из производства мощности составляют 40% существующих в настоящее время производящих мощностей в России. Более 54 000 МВт этих мощностей расположено в трех основных регионах: Центральном, на Урале и в Западной Сибири. Ресурс приблизительно 39 000 МВт выбывающих мощностей выработался к 2002 году. Поэтому уже в ближайшее время потребуется решение проблемы развития и реконструкции отрасли, восстановление и модернизация существующих мощностей, создание новых станций, значительную долю которых составят станции, работающие на органическом топливе. В одной из самых благополучных энергосистем МОСЭНЕРГО к 2010 году предстоит заменить или реконструировать около 4500 МВт выработавших свой ресурс мощностей, что составляет почти 50% от установленной мощности. Особенно это важно для электростанций России в настоящее время, так как время ввода, а, главное, материальные и финансовые ресурсы ограничены, в то же время имеется благоприятная ситуация с топливной составляющей (65% топлива — природный газ), что очень важно для использования ПГУ различного типа.

Настоящая работа посвящена вопросу повышения эффективности действующих ТЭЦ путем применения газотурбинных установок (ГТУ). При этом следует также принимать во внимание, что в перспективных планах развития энергетики наращивание мощностей в значительной степени будет происходить за счет использования теплофикационных установок.

Одной из наиболее эффективных областей применения парогазовых установок являются ТЭЦ, что объясняется следующими основными преимуществами теплофикационных ПТУ:

1) существенно большей выработкой электроэнергии на тепловом потреблении, а значит и более высокой тепловой экономичностью;

2) большей гибкостью в принятии различных сочетаний тепловой и электрической нагрузки;

3) меньшим вредным воздействием на окружающую среду, что очень важно для ТЭЦ, размещаемых, как правило, внутри жилых районов.

Поэтому одной из основных задач настоящей работы является исследование возможности применения газотурбинных установок для реализации парогазовых схем различной конфигурации в зависимости от типа и состояния действующего оборудования ТЭЦ.

Переход к схеме парогазовой ТЭЦ позволит повысить эффективность работы модернизированных установок. Он будет сопровождаться применением новых автоматизированных систем управления с участием цифровых модулей АСУТП.

Очевидно, что для наиболее полного использования преимуществ парогазовой технологии необходимо применять оптимальные тепловые схемы ПГУ.

Оптимизация тепловой схемы и технико-экономических показателей ПГУ базируется на тепловых, гидродинамических и функциональных характеристиках основных элементов схемы. Наиболее близкие к реальным характеристикам теплоэнергетического оборудования можно получить путем проведения специальных экспериментов на действующем оборудовании. Естественно, это связано с большими трудностями, вызванными обеспечением необходимой препарировки исследуемого оборудования, обеспечением необходимой точности эксперимента и его проведения из-за сложности самих экспериментов, требующих специальных режимов эксплуатации оборудования.

Другим возможным способом получения характеристик теплоэнергетического оборудования может быть применение метода математического моделирования, являющегося весьма эффективным рабочим инструментом при исследовании сложных технологических объектов, какими являются элементы паросилового цикла, и без которого в настоящее время невозможно представить решение всего комплекса задач, возникающих не только в процессе эксплуатации, но и особенно при проектировании и создании высокоэкономичного и надежного тепломеханического оборудования электростанций. По мере развития средств вычислительной техники совершенствуются и методы математического моделирования, возрастают объемы решаемых задач и формируются современные технологии моделирования.

Для расчетов и оптимизации ПГУ в диссертационной работе использовалась программная система для расчета статики и переходных процессов в теплообменном оборудовании (СТГРД), разработанная в ЦНИИ-КА. Тестирование работоспособности системы СТГРД и разработанных моделей элементов ПГУ было проведено по результатам расчета одноконтурной ПГУ и результатам расчетов, выполненных по программам других авторов.

В диссертационной работе выполнен анализ различных схем использования ГТУ для производства тепловой и электрической энергии на ТЭЦ. На базе проведенного анализа для модернизации турбоустановок ПТ- 60 — 130 были выбраны и исследованы тепловые схемы ГТУ — ТЭЦ, схема с вытеснением регенерации и схема со сбросом газов в энергетический котел. Для этих схем проведены расчеты энергетических показателей при различных значениях температуры наружного воздуха и нагрузок газовых турбин.

Современные парогазовые установки с котлами-утилизаторами имеют достаточно сложную тепловую схему, объединяющую такие специфические элементы как газотурбинную и паротурбинную установки, утилизационные котлы, их вспомогательное оборудование, энергетические паровые котлы. Их показатели в значительной мере зависят от температуры наружного воздуха, от технических характеристик котла-утилизатора, парового котла. Поэтому вопрос разработки и оптимизации конструкции конвективных рекуперативных теплообменных поверхностей типа «газ-газ», «газ-жидкость», «газ-двухфазная среда», в свете выше изложенного, является весьма актуальным. В этом случае приходится искать новые технические решения, не имеющие аналогов. Решение данной проблемы представляет значительную ценность для разработки высокоэффективных парогазовых установок различной конфигурации.

Одним из параметров, влияющих на работу ГТУ в составе ПГУ, является противодавление. Для его снижения, с целью обеспечения расчетных режимов работы ГТУ необходимо обеспечить допустимые значения противодавления на выхлопе ГТУ. Для этого необходимо снижать аэродинамическое сопротивление утилизационных теплообменников.

Научное содержание проблемы создания энергоэффективных теплообменных поверхностей определяется теми противоречивыми требованиями, которые предъявляются к теплообменным аппаратам: наибольший тепловой поток, наименьшие затраты мощности, наименьшая площадь поверхности.

Противоречивость этих требований очевидна: интенсивность теплообмена при прочих равных условиях возрастает примерно пропорционально скорости теплоносителя в первой степени, а затраченная мощность.

— пропорционально скорости в кубе. Кроме того, тепловой поток в целом пропорционален площади поверхности.

Поэтому решение проблемы повышения энергетической эффективности теплообменного аппарата сводится к тому, чтобы при данной поверхности теплообмена и средней скорости теплоносителя создать такую физическую обстановку, при которой перенос теплоты происходит с наибольшей возможной интенсивностью, а процесс переноса количества движения (определяющего затраты мощности) — с наименьшей.

Сложность этой задачи обусловлена двумя обстоятельствами. Во-первых, оба процесса переноса осуществляются одними и теми же элементами среды, которые одновременно являются носителями и теплоты и количества движения. Во-вторых, в общем случае следует рассматривать вопросы интенсификации теплообмена и уменьшения затрат на прокачку для обоих теплоносителей, имеющих общую, разделяющую их поверхность.

Очевидно, что физическая ситуация, соответствующая вышеописанной схеме процесса, весьма необычна, отличается большой сложностью и может быть создана только искусственным способом.

Таким образом, наиболее перспективным представляется использование при модернизации действующих ТЭЦ парогазовой технологии. Её применение позволит улучшить показатели работы ТЭЦ, повысить её маневренность, что особенно важно при нынешнем резкопеременном характере нагрузок, улучшить экологические характеристики.

Прикладная сторона диссертационной работы направлена на решение задачи повышения эффективности и экологической безопасности тепломеханического оборудования первой очереди ТЭЦ-25 — филиала АО «Мосэнерго».

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

По диссертационной работе можно сделать следующие выводы:

1. Исследованные тепловые схемы парогазовых установок близки по основным показателям экономичности и могут использоваться на ТЭЦ — 25 ОАО Мосэнерго при модернизации энергоблоков с турбинами ПТ — 60 — 130. При этом удельные показатели сбросной схемы несколько ниже, чем у ГТУ — ТЭЦ, а электрическая мощность почти в три раза выше.

2. При разработке тепловых схем парогазовых установок необходимо решать задачу снижения аэродинамического сопротивления теплообменных поверхностей, утилизирующих тепло выхлопных газов турбины, с целью обеспечения требуемой величины противодавления и снижения расхода энергии на собственные нужды.

3. Разработан и создан экспериментальный стенд для исследования теплоаэродинамических характеристик ребристых труб различной компоновки.

4. Проведен комплекс теплоаэродинамических исследований, анализ энергетической эффективности ребристых моделей конвективных поверхностей. В результате получено: а) Распределение по рядам приведенной теплоотдачи в малорядных оребренных пучках моделей диффузорных и конфузорных компоновок. б) Обобщенные зависимости по средней теплоотдаче и аэродинамическому сопротивлению для диффузорных и конфузорных моделей пучков оребренных труб. в) Показано, что энергетическая эффективность диффузорных пучков превосходит по всем показателям обычный шахматный пучок. г) Выявлена картина течения потока в межтрубных каналах «диффузорно — конфузорных» компоновок и проведен синтез.

164 диффузорно — конфузорной" компоновки с улучшенными энергетическими характеристиками.

5. Полученные в работе критериальные уравнения позволяют проводить конструкторские расчеты диффузорно — конфузорных пучков оребренных труб с улучшенными энергетическими характеристиками. Разработана упрощенная методика проектирования конвективных поверхностей котлов в виде «диффузорно — конфузорных» компоновок.

6. Применение шахматной «диффузорно — конфузорной» компоновки пучков оребренных труб в конвективной шахте энергетического котла ТГМ — 84Б позволяет осуществить практическую реализацию сбросной схемы с ГТУ типа У64.3а с меньшими затратами на реконструкцию и достаточно высокими экономическими показателями.