Совершенствование тепловой схемы утилизационной парогазовой установки с целью повышения эффективности генерации электрической энергии

1. Проведен обзор современных научных исследований по применению и
совершенствованию ПГУ, ВК и ОРТ на ТЭС для выбора наиболее достоверных методик их
расчета.
2. Проанализированы свойства органических рабочих тел для определения возможности
их работы в нижнем цикле утилизационной ПГУ при условии конденсации в воздушном
конденсаторе.
3. Разработана тепловая схема ПГУ с циклами на трех рабочих телах в двух
модификациях: с подогревом ОРТ перед экономайзером КУ путем рециркуляции конденсата и
подогревом его в регенеративном подогревателе. Представлено теоретическое обоснование
тепловой эффективности ПГУ с циклами на трех рабочих телах. Выведено уравнение,
позволяющее оценить КПД такой ПГУ и определить пути ее совершенствования. Полученная
зависимость отражает влияние КПД отдельных циклов и элементов, связывающих данные
циклы на КПД ПГУ. Разработана методика расчета тепловой схемы ПГУ с циклами на трех
рабочих телах, на основе которой написаны методика и программа расчета схемы ПГУ.
Параметрические исследования показали, что схема ПГУ с регенеративным подогревом
конденсата ОРТ перед экономайзером низкого давления КУ имеет КПД нетто на 0,41 % выше,
чем схема с рециркуляцией. Определено, что наилучшим рабочим телом для нижнего цикла
является фреон R365mfc. Исследовалось влияние начального давления водяного пара для КУ в
диапазоне от 8 до 20 МПа на КПД ПГУ для двух вариантов подогрева конденсата ОРТ перед
КУ: с регенеративным смешивающим подогревателем и рециркуляцией. Для ПГУ с
регенеративным подогревом конденсата ОРТ во всем диапазоне исследуемых начальных
давлений КПД нетто составляет от 61,39 % при 8 МПа до 62,32 % при начальном давлении
20 МПа, при этом электрическая мощность нетто изменяется от 777 МВт до 789 МВт. Для
дальнейших исследований были приняты три начальных давления 6, 12, 18 МПа. Оптимальным
диапазоном давления водяного пара на выходе из ЦВД является 0,15-0,30 МПа. При снижении
давления конденсации водяного пара в испарителе ОРТ ниже 0,10 МПа КПД нетто ПГУ
снижается с 62,1 % до 61,9 %. Это связано со снижением температуры подвода тепла в нижнем
цикле ОРТ. При давлении конденсации водяного пара в испарителе ОРТ 0,2 МПа достигаются
наибольшие значения КПД нетто 62,1 % и электрической мощности ПГУ 786,5 МВт.
Температура конденсации ОРТ в ВК оказывает большее влияние на эффективность, чем
начальное и конечное давление водяного пара. В интервале температур конденсации в
конденсаторе ОРТ от -20 до +30 °С КПД нетто падает от 63,61 % до 60,75 %. При начальном
давлении водяного пара 18 МПа, давлении конденсации в испарителе ОРТ 0,2 МПа, при работе
нижнего цикла на фреоне R365mfc и температуре конденсации от 0 до +20 °С КПД нетто ПГУ с
циклами на трех рабочих телах составляет от 61,74 % до 63,26 %. В то время как для ПГУ с
ГТУ 9HA.02 с трехконтурным КУ и ПП максимальный КПД нетто составляет 61,8 %.
4. Разработана методика расчета ВК для условий конденсации в нем разных видов ОРТ.
Параметрические исследования показали, что выбор вида ОРТ, скорости и температуры
охлаждающего воздуха при проектировании ВК существенно влияют на его капитальные
затраты и технико-экономические показатели. Выявлено, что пентан, R245ca и R365mfc
обладают наилучшими термодинамическими и термо-физическими параметрами при условии
конденсации в воздушном конденсаторе при изменении режимных параметров.
5. Разработана методика комплексного расчета системы ПГУ-ВК с циклами на трех
рабочих телах и конденсацией ОРТ в ВК с регенеративным подогревом ОРТ перед КУ.
Проведенные исследования для системы ПГУ–ВК при изменении температуры охлаждающего
воздуха показали, что снижение температуры охлаждающего воздуха пропорционально
увеличивает КПД и мощность ПГУ. Наилучшие показатели получены при работе нижнего
цикла на фреоне R365mfc. При изменении температуры охлаждающего воздуха от +30 до -30 С
КПД брутто изменяется от 61,1 до 66,1 %, а КПД нетто от 60 до 64,8 %. Откуда следует, что при
температурах охлаждающего воздуха ниже 10 С исследуемая ПГУ будет иметь КПД нетто
выше, чем ПГУ с трехконтурным КУ и промежуточным перегревом пара на базе ГТУ
GE 9HA.02. Работа нижнего цикла на R365mfc позволяет повысить КПД нетто на 0,4 % по
сравнению с работой на пентане и на 0,5 % по сравнению с работой на R245ca. Работа нижнего
цикла на R365mfc позволяет иметь электрическую мощность ПГУ нетто на 20 МВт выше по
сравнению с работой на пентане и R245ca во всем диапазоне температур охлаждающего
воздуха. При изменении температуры охлаждающего воздуха от 30 до -30 С электрическая
мощность ПГУ нетто при работе на R365mfc возрастает с 758 до 820 МВт, а мощность ЦНД с
58 до 121 МВт. Показано, что на ПГУ с ВК годовая выработка электроэнергии выше, чем на
ПГУ с трехконтурным КУ и промежуточным перегревом. Годовая выработка электроэнергии в
климатической зоне г. Сургут на ПГУ-ВК составляет 7088,2 млн кВт·ч против 6896,2 млн
кВт·ч, и составляет 191,9 кВт·ч. Данный результат показывает эффективность использования
схемы установки с тремя циклами, в которой нижний цикл работает на органическом рабочем
теле, а его конденсация происходит в воздушном конденсаторе.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

В настоящей диссертационной работе приняты следующие обозначения и сокращения:
GWP – потенциал глобального потепления
ODP – потенциал разрушения озонового слоя атмосферы Земли
ВД – высокое давление
ВК – воздушный конденсатор
ВПГ – высоконапорный парогенератор
ВЦГ – внутрицикловая газификация
ГПК – газовый подогреватель конденсата
ГТ – газовая турбина
ГТД – газотурбинный двигатель
ГТУ – газотурбинная установка
ДВС – двигатель внутреннего сгорания
ДК – дожимной компрессор
КИТ – коэффициент использования топлива
КН – конденсатный насос
КПД – коэффициент полезного действия
КС – камера сгорания
КУ – котел-утилизатор
НД – низкое давление
НУ – нормальные условия
ОРТ – органическое рабочее тело
ОПГ – метод обобщенного приведенного градиента
ОЦР – органический цикл Ренкина
ПГ – парогенератор
ПГУ – парогазовая установка
ПН – питательный насос
ПО – пароохладитель
ПП – пароперегреватель
ПТУ – паросиловая установка
ПТ – паровая турбина
ПТУ – паротурбинная установка
СН – собственный нужды
СПГ – сжиженный природный газ
СРК – стопорно-регулирующие клапаны
ТЭС – тепловая электростанция
ТЭЦ – теплоэлектроцентраль
ЦВД – цилиндр высокого давления
ЦНД – цилиндр низкого давления