CC BY
131
УДК 621.311
КОМБИНИРОВАННАЯ МИНИ-ТЭС НА БАЗЕ ГАЗОПОРШНЕВОЙ УСТАНОВКИ И ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
П.А. ЩИННИКОВ, Н.В. МАРАСАНОВ Новосибирский государственный технический университет
В статье предлагается технологическая схема комбинированной мини-ТЭС на основе газопоршневой установки и паровой турбины, которая может быть востребована в рамках реализации местных или распределенных систем электроснабжения. Показано, что такая мини-ТЭС может быть выполнена в блочно-модульной компоновке, а ее КПД составит не менее 50% даже без учета оптимизации термодинамических, схемных и конструктивно-компоновочных параметров. Показано, что себестоимость продукции у комбинированной мини-ТЭС на ~8% ниже, чем у газопоршневой установки при работе в автономном режиме.
Ключевые слова: газопоршневая установка, ДВС, паровая турбина, распределенная энергетика.
Одним из путей развития энергетики является малая генерация. Сегодня это направление находит все более широкое применение в нашей стране [1-4]. Интерес представляют как технологии малой генерации в целом [4] ,так и отдельные процессы в них [5].
В статье предлагается новая технология производства электроэнергии на основе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и паровой турбины, которые связаны единым технологическим процессом. На рынке сегодня представлено большое количество двигателей внутреннего сгорания широкой линейки мощностей (от бензогенераторов мощностью 1-10 кВт до газопоршневых установок мощностью 1-4 МВт). Потребители охотно устанавливают такие установки в рамках местных, локальных или распределенных электроэнергетических систем. Часто совершенствование технологических процессов для подобных установок идет по пути создания когенерационных [6] и тригенерационных [7] систем, так как такие системы позволяют обеспечить повышение коэффициента использования топлива. Вместе с тем существует возможность повышения КПД энергоустановки по отпуску электроэнергии на базе ДВС при обеспечении принципа комбинирования, аналогичного парогазовым установкам (ПГУ). В этом случае «горячим источником» для паросилового контура комбинированной установки является выхлоп ДВС, а не газовой турбины (рис. 1).
Выхлопные газы газопоршневой установки 1 поступают в котел-утилизатор 2 и там нагревают питательную воду до состояния перегретого пара. Пар срабатывает в паровой турбине 3 и поступает в конденсатор 4. Затем основной конденсат проходит через теплообменник, где происходит его нагрев. Данный теплообменник обеспечивает утилизацию теплоты контура охлаждения ГПУ. В деаэраторе 6 основной конденсат очищается от газов, нагревается паром из отбора турбины и в виде питательной воды поступает в котел-утилизатор 2.
© П.А. Щинников, Н.В.Марасанов Проблемы энергетики, 2016, № 11-12
Рис. 1. Принципиальная схема комбинированной мини-ТЭС: 1 - газопоршневая установка (собственно ДВС); 2 - котел-утилизатор с дымовой трубой; 3 - паровая турбина; 4 - конденсатор; 5 - теплообменник рубашки охлаждения ДВС, необходимой для нормального функционирования двигателя; 6 - деаэратор; 7 - вентиляторная градирня
Далее в статье предлагаются результаты расчетов технико-экономических параметров и характеристик основного оборудования предложенной технологии на базе газопоршневой установки JenbacherJMS 620 JS. Выбор ГПУ обусловлен высоким, заявленным производителем, электрическим КПД и температурой выхлопных газов (табл. 1), так как последняя позволит обеспечить относительно высокую температуру острого пара в паросиловом контуре.
Таблица 1
_Основные характеристики ГПУ Jenbacher JMS 620 JS
Наименование показателя Величина
Номинальная мощность, кВт 3044
Расход топлива, м3/с 0,207
Электрический КПД, % 44,1
Расположение блоков V-образное
Количество цилиндров, шт. 20
Диаметр цилиндра, мм 190
Ход поршня, мм 120
Объем двигателя, л 124,8
Объем выхлопных газов, нм3/ч 13666
Температура выхлопных газов, °С 425
Габаритные размеры:
длина, мм 8900
ширина, мм 2200
высота, мм 2800
Сухой вес, кг 12000
Удельная стоимость, $/кВт 560
С учетом характеристик принятой к расчетам ГПУ параметры паросилового контура составят Р0 = 39 бар; (0 = 400°С; РК ~ 0,1 бар.
Проблемы энергетики, 2016, № 11-12
Котел-утилизатор может представлять собой конструкцию, состоящую из трех контуров и барабана, последовательно обеспечивающих нагрев воды, испарение, сепарацию пара и его перегрев (рис. 2).
Рис. 2. Компоновочная схема котла-утилизатора: Б - барабан; ВЭ - водяной экономайзер; И -испаритель; ПП - пароперегреватель; ЦН - циркуляционный насос
В результате расчетов котла-утилизатора, проведенных с учетом положений [8], определены его тепловая мощность, паропроизводительность и некоторые другие характеристики (табл. 2).
Таблица 2
_Характеристики котла-утилизатора_
Наименование параметра Величина
Тепловая мощность котла, МВт 1,57
Паропроизводительность, т/ч 2,0
Давление пара в барабане, бар 43
Давление острого пара, бар 39
Температура острого пара, °С 400
Температура питательной воды, °С 111
Расход газов, тыс. нм3/ч 13,6
Температура газов на входе, °С 425
Температура уходящих газов, °С 167
Поверхность нагрева, м2
водяного экономайзера 90
испарителя 141
пароперегревателя 25
Площадь сечения для прохода газов, м2
водяного экономайзера 1,13
Продолжение таблицы 2
испарителя 1,26
пароперегревателя 1,26
Площадь сечения для пара и воды, м2
водяного экономайзера 0,0021
испарителя 0,0079
пароперегревателя 0,0039
Диаметр труб, dJdB}íi, мм 32/26
Габаритные размеры, м
Длина 11,4
Ширина 5
Высота (без учета барабана) 6
Можно видеть, что, во-первых, теплового потока от покидающих ГПУ дымовых газов достаточно для того, чтобы сгенерировать около 2 т/ч пара с температурой =400°С, во-вторых, габаритные размеры котла-утилизатора позволяют выполнить его в модульной компоновке.
Дальнейшими расчетами показано, что полученный в котле-утилизаторе острый пар позволяет обеспечить работу паровой турбины мощностью около 0,5 МВт. Конструкторский расчет паровой турбины [9] позволил сформировать схему проточной части (рис. 3), из которой видно, что турбина имеет ступень скорости, десять активных ступеней и один нерегулируемый отбор для обеспечения работы деаэратора. Термодинамические и конструктивные характеристики турбины представлены в табл.3.
Рис. 3. Схема проточной части турбины с указанием отбора
Таблица 3
Характеристики паровой турбины_
Наименование параметра Величина
Мощность турбины, кВт 475
Расход пара, кг/с 0,566
Давление пара перед/после стопорного клапана, МПа 3,9/3,78
Располагаемый теплоперепад, кДж/кг 1064
Давление в конденсаторе, кПа 10
Давление в нерегулируемом отборе, МПа 0,15
Расход пара в нерегулируемом отборе, кг/с 0,0021
Число ступеней, шт 11
Внутренний относительный КПД, % 78
Высота лопаток последней ступени, мм 87
Периферийный диаметр последней ступени, мм 550
Длина ротора турбины, мм 1380
Можно видеть, что габаритные характеристики паровой турбины также позволяют выполнить её в блочно-модульном варианте.
Следует отметить, что для предлагаемой установки основным видом топлива является газ, при этом содержание оксидов азота в выхлопных газах не превышает 250 мг/м3, а высота дымовой трубы по расчету составляет около 10 м при обеспечении ПДК в приземном слое атмосферы и с учетом фонового загрязнения, характерного для городских территорий.
Несложно оценить коэффициент полезного действия по отпуску электроэнергии предложенной комбинированной энергетической установки:
N + N
1гпу т 1пту ,, ч
П= — —„ , (1)
в • ен
где 1гпу - мощность газопоршневой установки, МВт; 1пту - мощность
паротурбинной установки, МВт; B, 0р- расход, кг/с и низшая теплота сгорания топлива (МДж/кг) топлива.
КПД составит п=50%, что на ~ 6% выше, чем у заявленного КПД ГПУ JenbacherJMS 620 JS, и достаточно близок к показателям современных мощных парогазовых установок. При этом столь высокий показатель эффективности использования топлива обеспечен без любого рода оптимизации как термодинамических параметров комбинированной тепловой схемы установки в целом, так и термодинамических и конструктивно-компоновочных характеристик её силовых агрегатов.
Кроме энергетической эффективности предложенной схемы интерес представляют и некоторые технико-экономические оценки. В статье предлагаются оценки расходов электроэнергии на собственные нужды установки [10] и оценки капиталовложений в основное оборудование. При этом капиталовложения в котел-утилизатор определены по массе основного металла:
^КУ = klk2kзVpЦ , (2)
В этом выражении V - объем метала поверхностей нагрева и барабана, м3; р -плотность металла, кг/м; Ц - цена металла, руб/кг; k1 - коэффициент запаса, учитывающий затраты на необогреваемые трубы; ^ - коэффициент запаса,
т
' ^ (3)
х/
Ч X/ У
V / У
учитывающий затраты на каркас, обмуровку и изоляцию; к3 - коэффициент запаса, учитывающий затраты на изготовление.
Капиталовложения в паровую турбину, паропроводы и газопроводы, тягодутьевое оборудование, дымовую трубу, электрическую часть (эл. генератор, трансформатор, распредустройство, автоматику и КИП), низкопотенциальную группу определены по степенным зависимостям вида [12]
к = Ко П с П
I=1 /=1
где Ко - базовые капиталовложения в соответствующую систему; с, - коэффициенты приведения, учитывающие тип турбины (К, Т, ПТ, Р и др.), тип привода питательного насоса, тип градирни, регион строительства и другие подобные факторы; х/, X/ -
базовые и текущие значения влияющих параметров и показателей в виде параметров пара, мощности турбины и генератора, коэффициента собственных нужд, расхода и давления питательной воды, числа часов использования установленной мощности, высоты дымовой трубы и т.п.; п/ - показатели степени; п - число коэффициентов
приведения; т - число учитываемых влияющих параметров.
Себестоимость электроэнергии определена с учетом стоимости топлива (4300 руб/тыс. м3), отпуска электроэнергии с шин установки и издержек, руб/кВтч:
„ _ Ит ^ Иам ^ Ирем ^ Ифот
^ээ = ^ . (4)
В этом выражении Ит, Иам, Ирем, Ифот - издержки на топливо, амортизацию,
ремонт и заработную плату соответственно, руб; Э, кВт ч - отпущенная с шин энергоустановки электроэнергия.
Результаты технико-экономических оценок имеют оценочный характер, так как во многом зависят от текущей конъюнктуры цен на оборудование, топливо, материалы, курсов валют (при закупке оборудования за рубежом), инфляционных процессов и других факторов экономического характера. Вместе с тем, проведённые расчеты позволяют сделать предварительную оценку экономической эффективности предлагаемой мини-ТЭС на основе газопоршневой и паротурбинной установок (табл.4).
Таблица 4
Технико-экономические показатели мини-ТЭС
Наименование показателя Величина
Расход натурального топлива, м3/с 0,207
Низшая теплота сгорания топлива, кДж/м3 34000
Число часов использования, час/год 6000
Установленная мощность, кВт 3519
Отпуск электроэнергии, кВтч/год 20,9106
Коэффициент собственных нужд, от ед. 0,01
Мощность оборудования собственных нужд, кВт:
принудительная циркуляция 4,0
тяга 8,2
циркуляционный насос 4,9
питательный насос 12,0
Продолжение таблицы 4
вентиляторная градирня 2,1
КПД установки нетто, % 50
Капиталовложения, руб 80,3106
В том числе:
ГПУ 68106
Котел-утилизатор 2,0 106
Паровая турбина 6,1106
Паропроводы и газопроводы 0,124106
Тяга и дутье 0,156106
Насосная группа 0,326 106
Дымовая труба 0,078 106
Электрическая часть вместе с КИПиА 1,526 106
Низкопотенциальная группа с системой регенерации 2,0 106
Издержки, руб/год 26Д2-106
В том числе:
топливо 19,3 106
амортизация 3,2 106
ремонт 1,2 106
ФОТ 2,32106
Себестоимость электроэнергии, руб/кВтч 1,24
Себестоимость электроэнергии при работе ГПУ, руб/кВтч 1,34*
* при условии работы газопоршневой установки в автономном режиме и при сопоставимых
исходных данных
При всей условности технико-экономических оценок расчеты показывают, что комбинированная технология мини-ТЭС на базе ГПУ и паровой турбины может позволить снизить себестоимость электроэнергии на =8% по сравнению с работой ГПУ в автономном режиме даже без учета оптимизации параметров схемы и оборудования. Такой результат может представлять интерес при принятии решений о размещении местной, локальной или распределенной системы электроснабжения.
Выводы
1. Представлена технология комбинированной мини-ТЭС на базе газопоршневой установки и паровой турбины, которые объединены единым технологическим процессом, при этом генерацию пара ведут за счет сбросного тепла уходящих из ГПУ газов аналогично технологиям ПГУ, а теплота, отводимая от контура охлаждения ГПУ, используется в паросиловом контуре установки при нагреве основного конденсата.
2. В результате расчетов тепловой схемы установки, сформированной на основе газопоршневой установки мощностью 3 МВт, показано, что дополнительная мощность для выработки электроэнергии в паросиловом контуре составит = 0,5 МВт, при этом КПД установки в целом по отпуску электроэнергии возрастет на 6% даже без учета оптимизации термодинамических, схемных и конструктивно-компоновочных параметров.
3. Конструкторские расчеты котла-утилизатора и паровой турбины с определением габаритов последних показывают, что данное оборудование может быть выполнено в блочно-модульном варианте.
4. Технико-экономические оценки показывают, что себестоимость электроэнергии у предложенной комбинированной мини-ТЭС на =8% меньше, чем при работе ГПУ в автономном режиме.
Summary
The paper proposes a technological scheme of the combined mini-TPP on the basis of gas-piston installation and a steam turbine, which may be required as part of the local or distributed power systems. It is shown that such a mini-TPP can be made in a modular layout, and its efficiency is not less than 50%, even without taking into account the optimization of thermodynamic, structural and circuit design and layout options. It is shown that the cost of production at a combined mini-TPP on ~8% lower than the installation of gas piston when working separately.
Keywords: gas-piston installation, ICE, steam turbine, distributed power generation.
Литература
1. Филиппов С.П. Малая энергетика в России. // Теплоэнергетика. 2009. №8. С. 38-44.
2. Щинников П.А., Синельников Д.С. Энергоснабжение при малоэтажном строительстве при отсутствии инфраструктуры // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2015. №7. С.58-64.
3. Щинников П.А., Бородихин И.В., Ноздренко Г.В. Комбинированная технология теплоснабжения на композитном жидком топливе с применением внутриквартальных двигателей внутреннего сгорания // Новости теплоснабжения 2002. №7. С. 47-49.
4. Майборода С.Э. Отходы как энергетика будущего // Твердые бытовые отходы. 2015 №8, С. 38-41.
5. Григорьев С.А., Григорьев А.С., Кулешов Н.В. и др. Энергоустановка с когенерацией электричества и тепла на основе возобновляемых источников энергии и электрохимических водородных систем // Теплоэнергетика. 2015. №2. С. 3-9.
6. Шадек Е.Г. Тригенерация как технология экономии энергоресурсов // Энергосбережение. 2015. №2. С. 52-57.
7. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. СПб.: НПО ЦКТИ, 3-е изд. 1998. 256 с.
8. Щинников П.А. Проектирование одноцилиндровой конденсационной турбины: учебное пособие / П.А. Щинников. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. 83 с.
9. Григорьева О.К., Боруш О.В. Расчет тепловых схем теплофикационных паротурбинных установок. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2014. 63 с.
10. Ларионов В.С., Ноздренко Г.В., Щинников П.А., Зыков В.В. Технико-экономическая эффективность энергоблоков ТЭС: учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998. 31 с.
Поступила в редакцию 17 октября 2016 г.
Щинников Павел Александрович - д.т.н., профессор кафедры ТЭС Новосибирского государственного технологического университета (НГТУ). E-mail: tes.nstu@gmail.com.
Марасанов Никита Владимирович - аспирант кафедры ТЭС Новосибирского государственного технологического университета (НГТУ). E-mail: nikmarasanov@gmail.com.
