Принцип действия и технические характеристики пгу, работающей по утилизационной схеме. Парогазовые установки

Термический КПД парогазового цикла:

Абсолютный электрический КПД ПГУ:

В ПГУ топливо расходуется только в КС газовой части схемы, т.е. расход натурального и условного топлива на ПГУ равен:

Общая электрическая мощность ПГУ равна:

Удельный (на 1 кВт) расход натурального топлива:

Удельный расход условного топлива:

Коэффициент полезного теплоиспользования бинарной ПГУ:

11. Сводная таблица и анализ результатов расчета по трем видам энергогенерирующих установок

Основные технико-экономические показатели по 3-м видам установок, рассмотренных выше (ГТУ, ПТУ и ПГУ), сведены в таблицу 2 и представлены в графической части проекта.

Таблица 2.

Тип установки

Произведя сравнительный анализ полученных данных, можно сделать вывод о том, что использование ПГУ наиболее выгодно, так как коэффициент полезного действия (КПД) объединенной установки получается более высоким, чем у ПТУ и ГТУ, из которых она составляется; кроме того, достигается ряд конструктивных преимуществ, которые удешевляют установку.

Повышение КПД при объединении ПТУ и ГТУ получается в результате термодинамической надстройки парового цикла более высокотемпературным газовым и уменьшения удельных потерь тепла с уходящими газами.

Еще одним преимуществом ПГУ является наименьший удельный расход натурального и условного топлива, что, несомненно, свидетельствует об экономичности данной установки.

Список использованной литературы

Электронные ресурсы: http://ru.wikipedia.org/; http://www.4energetic.ru/pages/page69.

Шляхин Б.Н., Бершадский М.Л.. Краткий справочник по паротурбинным установкам. – Москва. - Ленинград.: Госэнергоиздат, 1961.

Ривкин С.Л., Александров А.А.. Термодинамические свойства воды и водяного пара: справочник. – Москва.: Энергоатом издат

Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н.. Справочник по котельным установкам малой производительности – М: «Энергоатомиздат», 1989.

Представлены 22 мнемосхемы из 85.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ

Описание объекта .

Полное наименование системы: «Тренажер-симулятор парогазовой установки 410 МВт (1 газовая турбина Siemens SGT5-4000F, 1 паровая турбина SST5-3000, котел-утилизатор Еп-270/316/46-12,5/3,06/0,46 —560 /560 /237, турбогенератор SGen5-2000H.

Условное обозначение:

Год выпуска: 2015.

Тренажер-симулятор парогазовой установки 410 МВт моделирует работу основного и вспомогательного оборудования ПГУ-410 МВт, алгоритмов управления и защиты, имитирует управление с операторских станций, является средством обучения, предэкзаменационной подготовки и экзаменационного тестирования оперативного персонала ТЭЦ.

Для повышения уровня профессионализма и дальнейшей аттестации данный тренажер предполагает обучение, тренировку и тестирование персонала по следующим специальностям:

заместитель главного инженера по эксплуатации;
старший начальник смены электростанции;
начальник смены электростанции;
начальник смены;
старший машинист;
машинист энергоблока;
машинист-обходчик;
машинист – обходчик по вспомогательному оборудованию;
дежурный электромонтер.

В состав объекта-прототипа тренажера ПГУ-410 входят:

одна газовая турбина Siemens SGT5-4000F, одна паровая турбина SST5-3000, котел-утилизатор Еп-270/316/46-12,5/3,06/0,46 —560 /560 /237, турбогенератор SGen5-2000H, вспомогательное оборудование энергоблока;
удалённые объекты, управление которыми производится с БЩУ, в том числе: циркнасосная станция (ЦНС), береговая насосная станция (БНС), башенная градирня с естественной циркуляцией, блочный пункт подготовки газа (БППГ);
автоматизированная система управления и контроля SPPA-T3000(Siemens).

Краткое описание объекта-прототипа.

Энергоблок ПГУ-410 МВт представляет собой одновальный силовой модуль с газовой турбиной SGT5-4000F(4), турбогенератором SGen5-2000H и паротурбинной установкой SST5-3000 фирмы «Siemens». Жёсткая связка роторов газовая турбина — генератор в данной установке соединяется с валопроводом паровой турбины с помощью синхронной самосцепляющейся муфты релейного типа. Выхлопные газы ГТ направляются в котёл – утилизатор.

Газовая турбина с кольцевой камерой сгорания и повышенной температурой на входе в турбину работает на природном газе. Номинальная мощность – 281МВт, частота вращения – 50с -1 . Ротор ГТ соединён с ротором генератора жёсткой муфтой через промежуточный вал.

Паротурбинная установка SST5-3000, входящая в состав силового модуля энергоблока включает в себя паровую турбину, конденсатор и вспомогательные системы, обеспечивающие безаварийную, надежную и экономичную эксплуатацию паротурбинной установки во всех эксплуатационных режимах.

Турбина разработана для работы в трехконтурной (три давления) схеме ПГУ в составе одновальной силовой установки, и предназначена для привода генератора переменного тока с частотой вращения 3000 об/мин.

Данная паровая турбина – конденсационная, с двумя цилиндрами (ЦВД и ЦСД/ЦНД) с промежуточным перегревом, аксиальным потоком отработавшего пара для комбинированного цикла с тройным давлением.

Барабанный котел-утилизатор Еп-270/316/46-12,5/3,06/0,46 —560 /560 /237, горизонтального профиля с вертикальным расположением труб поверхностей нагрева, газоплотный, 3-х давлений (высокое, среднее и низкое давление) с естественной циркуляцией, с собственным несущим каркасом, предназначен для получения перегретого пара трех давлений: высокого (ВД), среднего (СД), низкого (НД) и подогрева конденсата за счет использования тепла горячих выхлопных газов ГТУ в составе блока ПГУ — 410. Циркуляция в котле обеспечивается за счет естественных сил, вызывающих подъемное движение пароводяной смеси в испарительных поверхностях нагрева.

Состав тренажера:

Операторский интерфейс реальной системы управления SPPA Т-3000 блока №1 Няганской ГРЭС (85 мнемосхем).
Математическая интегральная модель газовой турбины SGT5-4000F.
Математическая интегральная модель паровой турбины SST5-3000.
Математическая интегральная модель котла-утилизатора Еп-270/316/46-12,5/3,06/0,46-560 /560/237.
Математическая интегральная модель генератора SGen5-2000H.
Модель реальной АСУ ТП блока (защит, блокировок, сигнализаций, автоматики, пошаговых программ).
Развитая конфигурация сети (подключение любого количества компьютеров).
Пульт инструктора.
Контролирующая программа, позволяющая фиксировать неправильные действия оператора энергообъекта (несоответствие логике и смыслу правил технической эксплуатации).
Комплект нештатных ситуаций (задание с помощью специальной таблицы вводных).
Комплект автоматизированных сценариев тренировок с оценкой выполнения задания.
Возможность построения любых диспетчерских графиков и работа по этим графикам.
Сохранение режимов и запуск тренажера из любого сохраненного состояния.
Протоколирование: действий оператора, ошибок, сигнализаций, защит, блокировок.
Контроль ТЭП, графопостроение для всех параметров, состояния механизмов и арматуры.
Система поддержки оператора.
Ускорение и замедление процессов, замораживание ситуаций, возврат ситуаций.
Эксплуатационная документация, в том числе описание тренажера, справочные материалы, задания, пошаговые инструкции и т.д.
Оптимизация программного обеспечения (с применением современных информационных технологий и современных методов моделирования) с возможностью установки тренажера как на одном компьютере, а так и на любом количестве компьютеров.

Математическое описание тренажера.

Математическая модель теплогидравлической части объекта состоит из дифференциальных уравнений, основанных на рассмотрении физической природы процессов, то есть стандартных балансовых уравнений, а количественные зависимости и направленность процессов определяются законами термодинамики, гидродинамики, аэродинамики и т.д. Зависимости между параметрами связей однозначно и единообразно описываются уравнениями энергетического, расходного и гидравлического балансов в элементах оборудования, а также уравнениями изменения энтальпии каждого из видов теплоносителя.

В состав тренажёра входят математические модели генератора, системы возбуждения, электрической цепи, средств РЗА, трансформаторов, коммутационных аппаратов, электродвигателей и упрощённая модель энергосистемы при работе на длинную линию;

Модель генератора реализована на основе системы дифференциальных уравнений Парка-Горева и описывает работу генератора в синхронном, асинхронном и двигательном режимах с непрерывным переходом из одного режима в другой.

Модель электрической цепи основана на системе дифференциальных уравнений, выражающих законы Кирхгофа, и описывает динамику напряжения, токов и частоты во всех режимах, включая аварийные.

В состав математического описания тренажера входят следующие подсистемы:

Газовая турбина:

Природный газ к газовой турбине;
Система подогрева воздуха КВОУ;
Гидравлическая оптимизация зазора;
Система газового топлива;
Подача масла турбины;
Система гидравлики;
Чистка компрессора;
Схема вентиляции кожуха;
Система ВПУ;
Система воздуха/подогрев воздух;
Температура на выходе турбины;
Частотное регулирование;
Диаграмма мощности.

Котел-утилизатор:

Пар ВД;
Пар НД;
Барабан СД;
Барабан ВД;
Питательные насосы ПЭН ВД/СД;
Барабан НД;
Питательные насосы НД;
Газовый подогреватель конденсата;
Промперегреватель СД;
Расширители периодической и непрерывной продувки;
Тракт дымовых газов.

Паровая турбина:

Автоматический тестер турбины;
Система сброса пара в конденсатор;
Дренаж турбины, клапанов;
Конденсатный тракт, КЭНы;
БРОУ СД/НД;
Подача масла турбины;
Система управляющей жидкости;
Обзор ПТ;
Пуск турбины и температуры.

Общеблочное оборудование:

БППГ;
Дренажи машзала;
Замкнутый контур охлаждающей воды;
Береговая насосная станция;
Камера арматуры циркводы у главного корпуса и камера арматуры продувки;
Камера переключений ЦНС;
Машзал ЦНС;
Камера арматуры добавочной воды;
Обессоленная вода в конденсатор;
Башенная градирня с естественной тягой воздуха;
Камера арматуры напорных водоводов градирен;
Система водораспределения градирни.

Защиты:

защиты ГТ;
защиты КУ на останов;
защиты КУ локальные;
защиты ПЭН ВД/СД;
защиты ПТ;
защиты ЦН;
защиты БРОУ ВД;
защиты общеблочные.

Генератор:

Охлаждение генератора;
ТПУ/возбуждение;
Поставка и разгрузка водорода;
Уплотнительное масло;
Вентиляция кожуха;
Питание ВН;
Питание НН.

Сигнализация:

Состав моделируемых режимов.

В тренажере моделируются следующие режимы:

1. Пуск блока из любого теплового состояния.

2. Останов блока.

3. Работа блока в любом диапазоне нагрузок.

4. Включение и отключение теплофикационной установки.

5. Работа блока с различным составом оборудования.

6. Синхронизация и включение в сеть генераторов.

7. Работа блока с автоматическим и(или) ручным регулированием.

8. Реализованы пошаговые программы для оборудования блока:

8.1. Пошаговые программы котла-утилизатора:

пошаговая программа пуска-останова КУ;
пошаговая программа включения ГПК КУ;
пошаговая программа включения контура НД КУ;
пошаговая программа включения контура СД КУ;
пошаговая программа включения контура ВД КУ;
пошаговая программа программатора температуры пара ВД КУ;
пошаговая программа включения, отключения ГПЗ НД;
пошаговая программа включения, отключения ГПЗ ВД;
пошаговая программа включения, отключения БРОУ ВД.

8.2. Пошаговые программы паровой турбины:

пошаговая программа пуска-останова ПТУ;
пошаговая программа управления вспомогательными системами ПТУ (подготовка ПТ);
пошаговая программа подачи масла турбины;
пошаговая программа «Реверс ПТ»;
пошаговая программа подачи пара на уплотнения ПТ;
пошаговая программа гидравлического масла ПТ;
пошаговая программа включения дренажей СД и НД.

8.3. Пошаговые программы газовой турбины:

пошаговая программа пуска-останова ГТ;
пошаговая программа управления газовым топливом ГТ;
пошаговая программа включения и отключения подогрева КВОУ;
пошаговая программа управления подачей масла ГТ;
пошаговая программа гидравлической оптимизации зазора (ГОЗ);
пошаговая программа системы ВПУ ГТ.

9.Работа блока в нештатных режимах.

Состав базовых сценариев тренировок.

Каждое задание составлено на основе эксплуатационных инструкций, действующих на электростанции, и представляет собой одну из стандартных технологических операций. Тренажер снабжен стандартным набором заданий для тренировок, после выполнения которых автоматически выставляется оценка.

Включение в работу систем охлаждения блока, ЗКО. Подготовка и включение в работу системы регулирования и защит ПТ-40.
Пуск системы смазки.
Пуск системы уплотнения вала генератора, включение ВПУ ГТ и ПТ.
Подготовка и пуск вакуумно-конденсационной установки.
Пуск ПДУ.
Подготовка и заполнение котла-утилизатора.
Пуск газового хозяйства энергоблока.
Пуск комплексного воздухоподготовительного устройства.
Подготовка к пуску ГТ.
Подготовка к пуску ПТ.
Пуск ГТ.
Нагружение ГТ.
Пуск ПТ.
Нагружение блока до 410 МВт.
Пуск блока из холодного состояния.
Пуск блока из неостывшего состояния; Тмет ЦВД от 300°С до 380°С.
Пуск блока из неостывшего состояния; Тмет ЦВД от 390°С до 440°С.
Пуск блока из неостывшего состояния; Тмет ЦВД выше 450°С.

Состав нештатных ситуаций.

В тренажер включен стандартный набор нештатных ситуаций, служащих для подготовки оперативного персонала к парирующим действиям в таких ситуациях. С помощью таблиц вводных задаются отказы в работе технологического оборудования, арматуры, систем автоматики, электрооборудования.

Имеется функция задержки по времени на ввод любой из ситуаций в действие. Задержка указывается в правом нижнем углу поля каждой аварийной вводной.

1. Отказы в работе.

1.1. Отказы в работе арматуры:

полная потеря управления объектом.

1.2. Отказы в работе механизмов:

несанкционированное отключение;
несанкционированное включение (невозможность действия защит, автоматики, управления).

1.3. Регулирующие клапаны:

самопроизвольное открытие без возможности управления;
самопроизвольное закрытие без возможности управления;
самопроизвольное зависание без возможности управления;
отказ команды на закрытие в ручном режиме;
отказ команды на открытие в ручном режиме;
полная потеря управления объектом;
отказ в работе автоматики: полное открытие;
отказ в работе автоматики: полное закрытие;
отказ в работе автоматики: зависание.

1.4. Отказ в работе любой защиты.

2. Нештатные ситуации в работе тепломеханического оборудования:

2.1. Засорение фильтров:

ПЭН ВД/СД;
ПЭН НД;
фильтров КЭН-А, Б;
фильтров КЭН БОУ-А, Б;
фильтров системы смазки А, Б ГТ;
фильтров системы регулирования А, Б, за охладителем ГТ;
фильтров гидроподъема А,Б;
фильтров системы регулирования А,Б, за охладителем ПТ;
фильтров А,Б на выходе из деаэратора.

2.2. Разрывы труб:

ЭВД-2;
ППВД-3;
ППСД-2;
ППНД-2;
ППП-3.

2.3. Заедание стопорных клапанов:

СК ЦВД;
СК ЦСД;
СК ЦНД.

2.4. Самопроизвольная посадка стопорных клапанов:

СК ЦВД;
СК ЦСД;
СК ЦНД.

2.4. Обрыв штоков клапанов турбины:

РК ЦВД;
РК ЦСД;
РК ЦНД.

2.5. Самопроизвольная посадка РК:

РК ЦВД;
РК ЦСД;
РК ЦНД.

2.6. Повышение ускорения в камере сгорания.

до 1 предела;
до 2 предела;
до 3 предела;
до аварийного предела.

2.7. Неисправность МНС А,Б, АМНС.

3. Нештатные ситуации в работе электротехнического оборудования:

3.1. Увеличение частоты в сети.

3.2. Уменьшение частоты в сети.

Технические требования

Для функционирования тренажера необходимы:

процессор c частотой не мене 2ГГц;

оперативная память емкостью не менее 4Гб;

свободная дисковая память емкостью не менее 2 Гб;

видеокарта с внутренней памятью не менее 128 Мб;

монитор с разрешением не менее 1920×1080 (рекомендуемое разрешение 1920×1200), для удобства возможно использование нескольких мониторов;

звуковая карта и колонки;

клавиатура, мышь;

сетевая карта 100Мбит (для сетевого варианта Тренажера);

В случае, если требуется печать выходных документов (протоколов, графиков и т.п.), подключите к компьютеру принтер;

Тренажер предназначен для работы в среде Microsoft Windows 10/8/7/Vista/XP. Для работы Тренажера необходимо установить сервер баз данных MySQL.

Парогазовая установка ПГУ является комбинированной установкой, состоящей из ГТУ, котла – утилизатора (КУ) и паровой турбины (ПТ). Реализация парового и газового циклов осуществляется в раздельных контурах, т. е., при отсутствии контакта между продуктами сгорания и парожидкостным рабочим телом. Взаимодействие рабочих тел осуществляется только в форме теплообмена в теплообменных аппаратах поверхностного типа.

Использование парогазовых установок является одним из возможных и перспективных направлений снижения топливно – энергетических затрат.

ПГУ термодинамически удачно объединяют в себе параметры ГТУ и паросиловых установок:

ГТУ работают в зоне повышенных температур рабочего тела;

Паросиловые – приводятся в действие уже отработавшими, уходящими из турбины продуктами сгорания, т.е. выполняют роль утилизаторов и используют бросовую энергию.

КПД установки повышается в результате термодинамической надстройки высокотемпературного газового цикла паровым циклом, что сокращает потери теплоты с уходящими газами в газовой турбине.

Таким образом, ПГУ можно рассматривать как третий этап усовершенствования турбинных агрегатов. ПГУ являются перспективными двигателями, как высокоэкономичные, с малыми капиталовложениями. Отличные качества парогазовых установок определили области их применения. ПГУ широко применяются в энергетике и др. областях ТЭК.

Сдерживает широкое применение таких установок отсутствие единой точки зрения о наиболее рациональных направлениях утилизации тепла ГТУ.

В настоящее время перспективной схемой ПГУ для использования на МГ также является чисто утилизационная схема ПГУ с полной надстройкой цикла, в которой парогенератор обогревается только отходящими газами газовой турбины (рис. 6.1).

По этой схеме продукты сгорания ГТУ после турбины низкого давления (ТНД) поступают в котел-утилизатор (КУ) для выработки пара высокого давления. Получаемый пар из КУ поступает в паровую турбину (ПТ), где расширяясь, совершает полезную работу, идущую на привод электрогенератора или нагнетателя. Отработанный пар после ПТ поступает в конденсатор К, где конденсируется и затем питательным насосом (ПН) снова подается в котел – утилизатор. Термодинамический цикл парогазовой установки приведен на рис. 6.2. Высокотемпературный газовый цикл ГТУ начинается с процесса сжатия воздуха в осевом компрессоре: 1 → 2. В камере сгорания (а также в регенераторе, если он есть) осуществляется подвод теплоты 2 → 3; генерированные продукты сгорания поступают в газовую турбину, где расширяясь, совершают работу, процесс 3 → 4; и наконец, отработавшие газы отдают свое тепло в котле утилизаторе, нагревая воду и пар, 4 → 5. Остаток низкотемпературного тепла остается неиспользованным и передается в окружающую среду, 5 → 1.

Рисунок 6.1 - Принципиальная схема ПГУ с котлом – утилизатором

Рисунок 6.2 - Схема цикла парогазовой установки в координатах Т-S

Парогазовый цикл образован последовательностью процессов: 1" – 2" - 3" – 4"- 5" – 1" (рис. 6.2). Условно цикл начинается процесса 1" – 2" –подвода теплоты в экономайзере. Вода, поступившая из конденсатора, имеет низкую температуру, равную 39 °С (при давлении в конденсаторе Р нп = 0,007 МПа). Нагревается она до температуры кипения, порядка 170…210 °С, при постоянном давлении, соответствующем рабочему давлению котла 0,8…2,0 МПа. 2" – 3" – процесс испарения воды в испарителе и превращения ее в насыщенный пар. 3" – 4" – перегрев пара в перегревателе; 4" – 5" – процесс расширения пара в паровой турбине с совершением работы и потерей температуры; 5" – 1" – пар конденсируется в конденсаторе К, и образовавшаяся вода вновь подается в котел - утилизатор КУ. Цикл замыкается.

Мощность собственно паровой турбины (ПТ) зависит от действительного теплоперепада, или энтальпии, по паровой турбине и расхода пара. Расход пара и параметры пара определяются работой котла-утилизатора. Принципиальная схема котла – утилизатора показана на рис. 6.3.

Котел – утилизатор – это паровой котел с принудительной циркуляцией, не имеющий собственной топки и обогреваемый уходящими газами какой – либо энергетической установки.

Поэтому бросовой теплоты выхлопных газов ГТУ, с температурой порядка 400 °С, вполне достаточно для эффективной работы утилизационных установок.

По ходу котла устанавливаются последовательно теплообменные аппараты: водяной экономайзер "Э", испаритель "И" и пароперегреватель "П".

Водяной экономайзер - это теплообменник, в котором вода подогревается низкотемпературными горячими газами (продуктами сгорания) перед ее подачей в барабан котла (сепаратор).

Генерация пара производится в ходовой части котла следующим образом. Питательная вода, предварительно нагретая в экономайзере до температуры кипения уходящими газами, поступает в барабан котла. Температура горячих газов в хвостовой части котла не должна опускаться ниже 120 °С *.

В режиме генерации пара вода циркулирует через испаритель. В испарителе идет интенсивное поглощение тепла, за счет которого и происходит парообразование. Процесс парообразования в испарителе происходит при температуре кипения питательной воды, соответствующей определенному давлению насыщения.