Оптимизация параметров ПГУ и систем охлаждения наружного воздуха ПГУ и ГТУ для территорий с жарким климатом

Актуальность работы.

Энергетические установки, базирующиеся на газотурбинных технологиях (ГТУ и ПГУ различных типов), находят широкое применение в электроэнергетике многих стран, в том числе и стран с жарким климатом.

Доля газотурбинных станций в энергетике Ирака составляет 77%, остальные мощности в большей степени приходятся на паровые турбины и гидроэлектростанции. Во время войны в Арабском заливе, в 1991 г., было повреждено или уничтожено 85−90% национальной энергосистемы Ирака. Существующие в декабре 1990 г. 9000 МВт генерирующих мощностей снизились до 340 МВт к марту 1991 г. В программе ООН по Ираку указано, что генерирующие мощности в 2002 г. составили 4300−4400 МВт [1], увеличились к лету 2009 г. до 5000 МВт, благодаря ремонту и постройке нескольких газотурбинных станций, и составили 6500 МВт в 2011 г [2]. Не смотря на ввод новых генерирующих мощностей в Ираке существует их нехватка, особенно в летний период, когда растет потребление и снижается максимальная мощность ГТУ.

По состоянию на август 2010 г. 57% вырабатываемой на иранских ТЭС электроэнергии получается за счет природного газа, 41% - за счет мазута. Предполагается, что в ближайшие годы доля Ирана в совокупном производстве электроэнергии на Ближнем и Среднем Востоке и в Северной.

Африке составит 17%. 3].

ТЭС Саудовской Аравии работают на жидком и газообразном топливе. В структуре потребления топлива лидирующие позиции занимает природный газ — 65%, а 27% приходится на комбинированное топливо и 8% — на мазут. [4].

Энергетическая эффективность газотурбинной установки (ГТУ) достаточно сильно зависит от температуры воздуха, поступающего на вход компрессора этой установки. С ростом данной температуры происходит снижение КПД и максимальной мощности ГТУ. Указанные обстоятельства значительно уменьшают энергетическую и экономическую эффективность ГТУ, работающих в странах с жарким климатом.

Очевидно, что повышение эффективности ГТУ и ПГУ при работе в условиях высоких температур наружного воздуха имеет важное хозяйственное значение для целого ряда стран.

В связи со сказанным, актуальной является разработка таких технических решений, которые бы сократили отрицательное воздействие высоких температур наружного воздуха на энергетическую и экономическую эффективность энергетических установок, основанных на газотурбинных технологиях.

К таким решениям относятся, в первую очередь, различные способы снижения температуры воздуха на входе в компрессор, а также переход к комбинированным циклам производства электроэнергии (ПГУ различных типов и др.), у которых температура входного воздуха оказывает меньшее влияние на энергетическую эффективность, чем у ГТУ простого цикла. Вопросам повышения эффективности ГТУ и ПГУ, работающих в условиях высоких температур наружного воздуха, посвящено достаточно много работ, выполненных в разных странах.

Влияние температуры наружного воздуха на максимальную мощность и энергетическую эффективность ГТУ и ПГУ рассмотрено в работах[5−7]. Авторы проводили поверочные расчеты ГТУ и ПГУ с заранее известными конструктивными характеристиками при различных температурах наружного воздуха. Показано, что при снижении температуры окружающей среды увеличивается как максимальная электрическая мощность, так и энергетическая эффективность выработки электроэнергии.

В работах [8,9] рассматривались вопросы охлаждения наружного воздуха на входе в компрессор ГТУ и ПГУ. Изучались системы охлаждения на основе поверхностных охладителей холодной водой [10,11], впрыска воды в воздух, абсорбционных и парокомпрессионных холодильных машин.

Использование абсорбционного охладителя для снижения температуры воздуха до требуемого уровня и его влияние как на газовую турбину, так и на парогазовую установку, было изучено в литературе [8]. Полученные данные говорят о повышении мощности газовой турбины на 10,6% и увеличении мощности ПГУ на 6,2% при снижении температуры наружного воздуха на.

20° С.

В статье [12] сравниваются испарительное охлаждение, парокомпрессионная холодильная машина и абсорбционная холодильная машина. Т.к. при этих видах охлаждения используется электроэнергия, то в статье дается оценка расхода электроэнергии на эти три вида охлаждения Автор описывает влияние относительной влажности на эффективность испарительного охлаждения. Повышение производительности газотурбинных электростанций в зависимости от температуры воздуха на входе в компрессор представлено в работах [13,14].

В работе [9] исследовали техническую и экономическую целесообразность охлаждения воздуха на входе в компрессор газовой турбины в г. Хартум на разработанных авторами математических моделях. Они исследовали три варианта охлаждения: холодильные машины, охлаждение воздуха впрыскиванием капель воды, использование испарительных систем охлаждения. Результаты показали, что холодильные машины обеспечивают наибольшее охлаждение, но при этом имеют наибольшую стоимость, а использование испарительных систем охлаждения является наиболее экономически целесообразными и их использование рекомендовано для применения на электростанции г. Хартум.

Авторы работ [15,16] указывают что в связи с глобальным потеплениям происходит постепенное повышение температуры на планете. По их исследованиям мощность ГТУ будет снижаться на 0,5−0,9% при повышении температуры на 1 °C, что отрицательно влияет на энергетические и экономические показатели ГТУ.

В работе [17] автор исследует потери эксэргии в котле-утилизаторе в модели парогазовой установки 400 МВт в зависимости от температуры наружного воздуха. Показано, что эти потери уменьшаются с уменьшением температуры наружного воздуха до величины 19 °C. В работе [18] авторы исследовали новую газотурбинную электростанцию (16,6МВт), показав, что мощность может быть увеличена на 11,3% при охлаждении воздуха на входе в компрессор. Авторы работы [19] изучили газотурбинную электростанцию в г. Бангкок (Тайланд) и обнаружили возможность увеличения ее мощности на 11%. Они рассматривали системы охлаждения воздуха потоком холодной воды.

Корпорация Toshiba использовала гибридную систему охлаждения, в которой вода для охлаждения воздуха подавалась из резервуара, охлаждаемого с помощью абсорбционных охладителей, использующих энергию пара, получаемого от тепла выхлопа газовой турбины с мощностью 5,42 МВт. Охлаждение потока воздуха на входе в компрессор позволяет увеличить его массовый расход и мощность ГТУ.

Следует отметить, что приведенные исследования базируются на вариантных поверочных расчётах технологических схем исследуемых теплоэнергетических установок, при их заранее заданных конструктивных характеристиках. Вопросы оптимизации параметров установок, работающих при различных, в том числе высоких температурах наружного воздуха, не рассматриваются. Также не рассматриваются вопросы оптимизации параметров собственно систем охлаждения наружного воздуха. Исходя из сказанного, целями данной работы являются:

1. Разработка подхода к оптимизации параметров ПТУ (на примере ПГУ-STIG), работающей при переменных, в том числе высоких, температурах наружного воздуха.

2. Исследование эффективности охлаждения входного воздуха ПТУ и.

ГТУ: а) речной водой в трубчатом теплообменникеб) за счёт впрыска в цикловой воздух воды с её полным испарением.

3. Оптимизация конструктивных и режимных характеристик системы охлаждения, основанной на исследовании трубчатых теплообменников, в которых цикловой воздух охлаждается речной водой.

4. Сопоставление энергетической и экономической эффективности ПТУ и ГТУ в вариантах: а) без охлаждения наружного воздухаб) с охлаждением воздуха за счёт передачи тепла речной воде в трубчатых теплообменникахв) с охлаждением воздуха за счёт впрыска и испарения воды. Научная новизна:

• Впервые дана постановка и предложен метод решения задачи оптимизации параметров ПТУ (на примере ПТУ-вТЮ) с учётом работы в условиях изменяющихся температур наружного воздуха. Метод основан на последовательном использовании математических моделей, ориентированных на проведение конструкторских и поверочных расчетов.

• Предложен оригинальный метод оптимизации параметров системы охлаждения наружного воздуха водой в поверхностном теплообменнике, учитывающий влияние этих параметров как на затраты в саму систему охлаждения, так и в энергетическую установку.

• Для условий г. Мосул (Ирак) с использованием разработанных методов проведены сопоставления энергетической и экономической эффективности ПТУ-вТЮ и ГТУ простого цикла при использовании систем охлаждения наружного воздуха в поверхностных теплообменниках и систем охлаждения воздуха за счет впрыска воды.

Практическая ценность работы заключается в возможности использовании разработанной методики на стадии проектирования новых парогазовых электростанций или реконструкции существующих газотурбинных электростанций в условиях жаркого климата. Причём разработанная методика позволяет учесть климатические характеристики конкретной местности.

Апробация работы:

Результаты диссертационных исследований обсуждались на:

Всероссийских научно-практических конференциях «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск: ИрГТУ, 2010, 2011,2012 г. г.).

— конференциях-конкурсах научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск,.

2010,2011,2012 г.г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатаных работах:

1- Альрави А. И. Ибрагим, Сушко С. Н., Клер A.M. Оптимизация параметров ПГУ с учётом переменных, в том числе высоких температур наружного воздуха // Иркутск 2012. Вестник ИрГТУ, выпуск № 4(63) с. 157−163 ISSN -1814−3520.

2- Альрави А. И. Ибрагим Учет влияния температур наружного воздуха при оптимизации параметров ПГУ. // Иркутск 2012. Материалы Всероссийской научно-практической конференции повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири, с. 243−247.

3- Альрави А. И. Ибрагим, Клер A.M. Исследование комбинированной парогазовой установки типа (STIG), с системой охлаждения воздуха. // Иркутск 2011. Материалы Всероссийской научно-практической конференции повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири, с. 101−109.

4- Альрави А. И. Ибрагим Модификация комбинированной парогазовой установки типа (STIG), использующей системы воздушного охлаждения. // г. Иркутск 2011. Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН с 111−117.

5- Al-Rawy A.Y.I, Kler A.M. Modification of a combined gas and steam turbine (STIG) power plant using evaporation cooling system. // Иркутск 2010. Материалы Всероссийской научно-практической конференции повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири, с. 188−195.

6- Al-Rawy A.Y.I, Ambient air temperature treatment effect on the combined gas-steam power performance. // г. Иркутск 2010. Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН с 141−145.

Структура и объем работы.

В первой главе говориться о методах повышения эффективности ГТУ и ПГУ, работающих в условиях жаркого климата. Обосновывается выбор вида парогазовой установки для технико-экономических исследований с учетом жаркого климата. Дается обзор работ по исследованию влияния видов охлаждения воздуха на входе в компрессор на энергетическую и экономическую эффективность ПГУ и ГТУ.

Вторая глава посвящена описанию методики оптимизации парогазовой установки для условий жаркого климата. Приводятся результаты расчетов согласно этой методике для ПГУ-БТЮ работающей в климатических условиях г. Мосул (Ирак).

В третей главе описывается методика оптимизации системы охлаждения наружного воздуха ПГУ и ГТУ. Приведены результаты расчетов для двух видов систем охлаждения воздуха: для охлаждения в поверхностном теплообменнике и для охлаждения с помощью впрыска воды применительно к климатическим условиям г. Мосул (Ирак).

1.10 Выводы по разделу 1:

1) Эффективность впрыска воды и испарительного охлаждения в меньшей степени зависит от термодинамических параметров цикла ГТУ или ПГУ, чем охлаждение воздуха в холодильных машинах, в то время как изменение параметров цикла ГТУ и ПГУ при использовании холодильных машин может привести к изменению вырабатываемого тепла на выходе из газовой турбины, влияя тем самым на уровень охлаждения воздуха.

2) Максимально достижимый уровень поднятия мощности с помощью систем впрыска воды составляет 17,7%, максимальное повышение мощности с помощью холодильных машин составляет 20%.

3) Применение холодильных машин может приводить к снижению КПД установки при одновременном повышении мощности, установки систем испарительного охлаждения или впрыска при тех же условиях и менее значительном росте мощности к снижению КПД не приводят.

4) Срок окупаемости систем впрыска воды на порядок ниже чем холодильных машин, что может делать систему впрыска воды или испарительного охлаждения рентабельнее некоторых видов холодильных машин при определенных климатических условиях.

5) Охлаждение воздуха в трубчатых теплообменниках является более эффективным по выработки мощности установкой, чем системы впрыска воды, но сравнение этих двух систем охлаждения по экономической эффективности в литературе не встречается.

С учетом вышеперечисленного можно заключить, что системы охлаждения впрыском являются конкурентоспособными в технико-экономическом плане с остальными системами охлаждения. Оптимизация по критерию технико-экономической эффективности как систем впрыска, так и систем охлаждения воздуха в водяных теплообменниках может сделать их конкурентоспособными по сравнению с другими системами охлаждения.

ГЛАВА 2. ОПТИМИЗАЦИЯ ИГУ С УЧЁТОМ ПЕРЕМЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА.

2.1 Постановка задачи оптимизации ПГУ с учётом переменной температуры наружного воздуха.

Температура наружного воздуха и его влажность зависят от географического места расположения электростанции, месяца, часа суток и ряда других факторов. Как правило, для конкретного местоположения имеются статистические данные, содержащие средние значения температур и относительных влажностей наружного воздуха для различных месяцев и часов суток. На основании этих данных можно сформировать несколько характерных сочетаний температуры и влажности наружного воздуха, поставив в соответствие каждому сочетанию его продолжительность в году. Отметим, что сумма продолжительностей всех сочетаний должна равняться продолжительности года, т. е. 8760 ч.

Наличие указанных сочетаний температур и влажностей и их продолжительностей позволяет, проведя расчёты режимов работы энергоустановки (ГТУ или ПГУ) при соответствующих температурах и влажностях наружного воздуха, определить часовой расход топлива, электрическую мощность, годовой расход топлива и годовой отпуск электроэнергии.

В работах ИСЭМ СО РАН [75−80] предложены различные подходы для оптимизации энергоустановок с учётом переменных условий работы. При этом рассматривались теплофикационные ПГУ, ГТУ и теплонасосные установки, переменный характер режимов которых связан с переменным характером отопительной нагрузки в течение года. Разработаны математические модели элементов для системы машинного построения программ, которые позволяют строить модели для поверочных и конструкторских расчетов установок в целом. Эти модели были использованы автором при выполнении диссертационных исследований и представлены в приложении 1.

Предложенные, в ИСЭМ СО РАН, подходы базируются на сочетании конструкторского расчёта установки при номинальных тепловых и электрических нагрузках и серии поверочных расчётов при частичных нагрузках. Были рассмотрены методы решения оптимизационной задачи, использующие единую подробную модель, ориентированную на один конструкторский и серию поверочных расчётов, когда конструктивные характеристики (площади поверхностей нагрева теплообменников, номинальные расходы, входные и выходные давления турбомашин и др.) передаются в поверочные расчёты. Эта модель непосредственно используется для решения комплексной задачи нелинейного математического программирования, где оптимизируются как конструктивные параметры, так и параметры, определяющие режимы при различных нагрузках [77]. Эти методы обеспечивают нахождение наилучших решений, но требуют больших трудозатрат на построение модели и значительных вычислительных ресурсов на её решение.

Другие методы основаны на раздельном использовании моделей, ориентированных на конструкторские и поверочные расчёты [73]. На первом этапе использования этих методов проводится оптимизация параметров установки при рассмотрении одного (номинального) режима работы. В этом случае решается несколько оптимизационных задач с различным сочетанием внешних исходных данных. Причём эти данные следует подобрать так, чтобы «охватить» область оптимальных решений. В результате получается несколько наборов конструктивных характеристик установки, среди которых следует выбрать наилучший. Для этого при каждом наборе конструктивных характеристик проводится серия поверочных расчётов в характерных режимах, определяются годовые расходы топлива, отпуски энергии и показатели экономической эффективности. Вариант конструктивных характеристик с наилучшими показателями экономической эффективности выбирается в качестве оптимального. Эти методы не позволяют найти точного оптимума, но зато являются гораздо более простыми и менее трудоёмкими, чем методы, основанные на использовании точных комплексных моделей. Именно эти методы взяты за основу в настоящей работе. Ниже дается постановка задачи оптимизации параметров теплоэнергетической установки, работающей при переменных температурах наружного воздуха. Эта постановка предложена автором совместно с научным руководителем [74−79].

Применительно к рассматриваемым в работе задачам в качестве переменных внешних исходных данных приняты температура наружного воздуха на входе в компрессор и цена топлива. При поверочных расчётах характерных режимов полагается, что установка работает в базовой части графика электрической нагрузки и загружается до максимально-возможной мощности.

Этапы задачи оптимизации ПГУ могут быть сформулированы следующим образом.

Этап I. Требуется решить R задач вида min Ц> (Вгод, К, Эгод, Ц], s, IRR,) (2 Л) при условиях.

Н (у, хк, вр, С) = 0, (2.2).

G (y, xK, 9p, a>0, (2.3).

Вгод = Хк (а) '^исп > (2.4).

Э’год ~ У (1) ' Tuen 5 (2.5).

SK=S (x, y), (2.6) к = Ф (8цК), (2.7).

1 «хК ^ < хК, (2.8) г = 1,2,., Я, где Цэ — цена электроэнергии, обеспечивающая заданный уровень внутренней нормы возврата капиталовложений IRR, — В-од — годовой расход топлива установкойК — капиталовложения в установкуЭгой — годовой отпуск электроэнергииЦ] - цена топлива для г-ого набора внешних исходных данных- * - вектор экономических условий (ставка налога на прибыль, ставка амортизационных отчислений, доля условно-постоянных.

РОССИЙСКАЯ издержек от капиталовложений и др.) — Я — «-мерная векто^М^дарР^^I ограничений-равенств (уравнения материального и энергетического балансов, теплопередачи, свойств рабочих тел и др.) — у — и-мерный вектор вычисляемых переменных (расходы, давления, температуры или энтальпии рабочих тел и теплоносителей в различных точках технологической схемы и др.) — Хк — вектор независимых оптимизируемых параметров (включает величины, определяющие конструктивные характеристики установки: расход топлива в камеру сгорания газовой турбины, давление воздуха на выходе из компрессора, температуру продуктов сгорания перед газовой турбиной, расход, давление и температуру пара на входе в камеру сгорания ПГУ-БТЮ, энтальпию воды на выходе из экономайзера котла-утилизатора ПТУ-вТЮ и др.) — х — температура наружного воздуха на входе в компрессор при том сочетании внешних исходных данныхвр — вектор постоянных внешних условий функционирования (давление воздуха на входе в компрессор, энтальпия воды на входе в экономайзер котла утилизатора и др.) — Овекторная функция ограничений-неравенств (ограничения на предельно допустимые температуры и механические напряжения металла труб теплообменников котла-утилизатора и др.) — хк (а) — аый компонент вектора хк, соответствующий расходу топлива в камеру сгоранияТисп — число часов использования установленной мощностиу{1) — /-ый компонент вектора у, равный полезной электрической мощности установкиЦК — вектор удельных стоимостей элементов установки, включающий стоимость единицы мощности газовой турбины, стоимость единицы мощности воздушного компрессора, стоимость теплообменников на единицу массы и др. -вектор конструктивных характеристик установки.

Обозначим оптимальные решения (вектора оптимизируемых параметров) Я задач /-ого этапа через х"х2,., х/-, а соответствующие им вектора через.

Этап II. Для каждого г-ого оптимального набора конструктивных характеристик (), полученного на 1-ом этапе, решается J оптимизационных задач по определению максимальной мощности ПГУ в характерных режимах с различными сочетаниями температуры и влажности воздуха на входе в компрессор.

ЛГах = таху{1) (2−9) при условиях.

H{Bj, rjx, V'-y, ep, S'i) = V, (2.10).

G (Bj, Т" х, VjX, y, ep, S")>0, (2.11).

Bmm.

Отметим, что основным ограничением-неравенством, влияющим на максимально-возможную мощность ПГУ, является ограничение на предельно-допустимую температуру газа перед газовой турбиной.

Этап III. Для каждого из т решений, полученных на 7-ом этапе, определяется показатель экономической эффективности (цена электроэнергии при заданном значении внутренней нормы возврата капиталовложений IRRZ). Этот показатель определяется на базе оптимизационных расчётов, проведённых на II-ом этапе.

Годовой расход топлива и годовой отпуск электроэнергии определяются из выражений вг0д =увт.кг, (2−13).

Г ?^u J J г.

Эг"*=]ГлгахГД0 (2.14).

7=1 где Г. — продолжительность у'-ого характерного режима в годукоэффициент готовности.

Цена электроэнергии определяется из выражения цэ =цв:д, кг, эг-дм''ф, е, тя2), (2.15) где Кг — капиталовложения в ПГУ для того вариантаЦ’ф — фактическая цена топлива. В качестве оптимального варианта принимается такой вариант, а е для которого Цэа = штЦгэ, Ут е .

2.2 Оптимизация ПГУ-вТЮ для условий г. Мосул (Ирак).

Рассмотрим применение изложенного подхода к задаче оптимизации параметров ПГУ-БТЮ (рис. 2.1), работающей в климатических условиях г. Мосул (Ирак). В таблице 2.1 показаны климатические данные средней температуры во временном интервале каждого месяца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1) Разработан метод оптимизации ПГУ с учётом переменных температур наружного воздуха. Метод включает три этапа. На первом этапе формируются (с использованием оптимизационных задач на моделях ПГУ ориентированных на конструкторский расчет) сопоставляемые варианты конструктивных характеристик установки. На втором этапе проводятся поверочные расчеты установки в нескольких характерных режимах с различными температурами наружного воздуха, полученными на основе анализа климатических данных. На третьем этапе определяются основные технико-экономические показатели каждого варианта и находится оптимальный вариант. В качестве критерия эффективности при оптимизации используется цена электроэнергии, обеспечивающая заданное значения внутренней нормы возврата капиталовложений.

2) Созданы математические модели систем охлаждения воздуха перед компрессором: для охлаждения воздуха в поверхностном теплообменнике и для охлаждения воздуха впрыском воды. При расчете системы охлаждения воздуха в поверхностном теплообменнике водой определяется требуемая площадь поверхности теплообмена, при этом учитывается возможное увеличение относительной влажности воздуха на выходе из системы охлаждения и возможность конденсации части содержащихся в этом воздухе водяных паров. При расчете системы охлаждения впрыском определяется количество впрыскиваемой воды, при полном испарении которой достигается заданное значение относительной влажности воздуха на выходе из системы охлаждения.

3) Разработан метод оптимизации конструктивных параметров поверхностного теплообменника системы охлаждения воздуха с учетом изменения температуры и влажности наружного воздуха и температуры охлаждающей воды в течении года. Метод позволяет учесть влияние этих параметров как на затраты в саму систему охлаждения, так и в энергетическую установку.

4) С использованием разработанного подхода проведена оптимизация ПГУ-вТЮ для условий города Мосул (Ирак). Проведено сопоставление экономической эффективности способов охлаждения воздуха на входе в компрессор с использованием поверхностного теплообменника и впрыска воды. Показано что ПГУ-БТЮ имеет существенно более высокую эффективность, чем ГТУ простого чикла при этом для ПГУ наиболее эффективной системой охлаждения является система охлаждения впрыском, а для ГТУ наиболее эффективной системой охлаждения является система охлаждения с поверхностным теплообменником.