Modelowanie układów gazowo-parowych. Przegląd zagadnień i wyników obliczeń.

T adeusz CHMIELNIAK, Ja n u sz KOTOWICZ In sty tu t M aszyn i U rządzeń Energetycznych P olitechnika Śląska, Gliwice

MODELOWANIE UKŁADÓW GAZOWO-PAROWYCH.

PRZEGLĄD ZAGADNIEŃ I WYNIKÓW OBLICZEŃ

S tr e sz c z e n ie . W artykule przedstaw iono metodologię obliczeń i układów gazowo—parowych. Pozwala ona zarówno określić wpływ wy­

b ranych param etrów n a spraw ność w ytw arzania energii ja k i określić w artość m aksym alną tej sprawności. Główną uwagę skupiono na:

— układach gazowo-parowych jednopaliwowych,

— układach gazowo-parowych zintegrowanych z częściowym zgazowaniem węgla.

Ze względu n a ograniczone ram y opracowania przedstawiono tylko niektóre wyniki obliczeń. Szczegółową ich charakterystykę zaw iera cyto­

w ana w artykule literatura.

THE M ODELING COM BINED GAS-STEAM CYCLE.

STAMD OF PROBLEM S AND CALCULATION RESULTS

S u m m ary. In pap er th e calculation methodology of combined gas- steam cycles has been presented. This methodology gives possibility to determ ine th e effect of choosen p aram eters on energy g en eration ef­

ficiency. The aim is directed to:

- combined gas-steam cycles w ith one fuel

- combined gas-steam cycles in teg rated w ith partial coal gasification.

In reg ard to restricted volume of th is paper has been only chosen re su lts of works showed. D etail list of own literature references was supplem ented to th is paper.

M O DELIERUNG VON KOMBIBLÖCKE. EINE FÜBERSICHT D E R B E R E C H N U N G E N U N D PROBLEM E

Z u sam m en fa ssu n g . Im Aufsatz eine Berechnungsm ethodologie von Gas und D am pfanlagen w urde vorgestellt. D urch diese Methodologie den Einfluss vorgew ählten Daten a u f E n ergieer­

zeugungsw irkungsgrad sowie die E rm ittlu n g des m aksim alen

W irkunm sgrades w ird erlaubt. D er S chw erpunkt is gerichtet auf:

- G as-D am pferzeugungsanlagen m it einem Brennstoff,

— G as—Dam pferzeugungsanlagen die m it Teilkohlevergasung integriert werden.

Aus dem G rund einer begrenzten Rahm en dieses A ufsatses wurden a u f einige B erechnungs resu lta te verzichtet. Die aufdem Ende vor­

gegebene L ite ra tu r ergänzt die Probleme.

1. W stęp

W w yniku intensyw nych b ad ań naukow ych i prac projektow o-konstrukcyj­

nych oraz szeroko zakrojonych przedsięw zięć dem onstracyjnych opracowano w o statnich lata ch wiele nowych technologii w ytw arzania energii elektrycznej i ciepła. Zapewniać one muszą:

1) zwiększenie spraw ności konwersji energii chemicznej paliw a n a energię elektryczną i cieplną,

2) zm niejszenie obciążenia środow iska naturaln ego poprzez:

- zasadnicze ograniczenie emisji S 0 2, NOx, C 0 2 i popiołu,

— ograniczenie zapotrzebow ania i s tr a t bezzw rotnych wody, 3) obniżenie kosztów produkcji energii elektrycznej i ciepła.

Isto tn e znaczenie dla najbliższej przyszłości, ja k się obecnie wydaje, mają elektrow nie gazow o-parow e o różnej stru k tu rz e . W szczególności m ożna tutaj wymienić:

- elektrow nie gazow o-parow e opalane gazem ziemnym,

- kom binow ane u k łady gazow o-parow e utylizujące gaz ziem ny i węgiel, - elektrow nie parow o-gazow e z ciśnieniowym kotłem fluidalnym ,

- elektrow nie gazowo-parowe zintegrow ane ze zgazowaniem węgla (zarów­

no całkowitym, ja k i częściowym stanow iącym podstaw ę tzw. hybrydowych układów energetycznych).

Podstaw ę w szystkich wym ienionych technologii stanow i układ parow o-ga- zowy. Dlatego też od wielu la t w Instytucie M aszyn i U rządzeń Energetycz­

nych Politechniki Śląskiej prowadzone są prace m ające n a celu analizę ukła­

dów parow o—gazowych za pomocą m odelu m atem atycznego.

M odelowanie układów kom binowanych zaw iera w szystkie elem enty mode­

low ania układów autonom icznych (gazowego i parowego). Modelowanie anali­

tyczne, ograniczone zazwyczaj do części gazowej u k ład u i aproksym acji włas­

ności czynników roboczych przybliżeniem gazu kalorycznie doskonałego, jest przedm iotem najczęstszych rozw ażań. Zaletą tego rodzaju analizy je s t możli­

wość otrzym ania zam kniętych form uł określających optym alne p aram etry dowolnie rozbudowanego k o n tu ru gazowego z p u n k tu w idzenia sprawności u k ład u lub jego mocy m aksym alnej.

M odelowanie num eryczne, uwzględniające rzeczywiste w łasności mediów roboczych, przeprow adzone je s t zazwyczaj dla wcześniej przyjętych s tru k tu r gazowej i parowej części uk ładu kombinowanego.

2. A lg o ry tm o b lic z e ń u k a d ó w p a ro w o -g a zo w y ch

O pracow ane modele parowo—gazowe um ożliw iają wyznaczenie zarów no p a ­ ram etró w czynników w poszczególnych pu n k tach instalacji, ja k i wielkości charakteryzujących prace poszczególnych m aszyn i urządzeń. Pozw alają też określić spraw ność w ytw arzania energii elektrycznej w badanym układzie.

Celem b a d ań może też być optym alizacja układu. Za kryterium optym alizacji w większości przypadków w ybierana je s t m aksym alna efektywność term ody­

nam iczn a u k ład u kombinowanego.

Algorytm obliczeń u k ład u parowo-gazowego pokazano n a rys. 2. O pracowa­

ny on je s t dla u kład u jednopaliwowego, którego schemat przedstaw ia rys. la , tj. u k ład u z kotłem utylizacyjnym jednoprężnym . Założone zm iany tem p e ra ­ tu r czynników w tym kotle ilu stru je rys. Ib. Obliczenia dotyczące obiegu gazowego stanowiącego część kombinowanego uk ładu gazowo—parowego od­

niesione są do jednostki m asy spalanego gazu w komorze spalania.

W pierwszej kolejności wykonywany je s t dla znanego stosunku ciśnień ((3) i określonej spraw ności w ew nętrznej (r|j,) podprogram „sprężarki pow ietrza”.

W podprogram ie „komora spalan ia” założoną wielkością je s t te m p e ra tu ra sp alin n a wylocie z kom ory sp alan ia (T3a). Przy znanym składzie paliw a um ożliw ia on określenie stosu nk u stru m ien i m asy powietrza do gazu (mag).

Blok „turbina gazowa” pozwala wyznaczyć przy znanym stosun ku ciśnień i spraw ności w ew nętrznej między innymi tem p eratu rę spalin n a wylocie z tu rb in y gazowej (T4a).

Tok obliczeń w podprogram ie „komora dopalania” zależy od tego, czy ilość utlen iacza zaw artego w spalinach z tu rb in y gazowej jest w ystarczająca do sp a la n ia dodatkowego paliw a wynikającego z przyjęcia stopnia d opalania (q), tj. sto su n k u energii chemicznej paliw a spalanego w komorze dopalania i sp alania. Głównym p aram etrem wyjściowym tego bloku je s t te m p e ra tu ra spalin n a wylocie z komory dopalania (T4a). Założenie różnicy te m p e ra tu r (At) pom iędzy spalinam i dolatującym i do kotła uty lizato ra (T4a) i p a rą produkow a­

n ą w nim um ożliw ia określenie tej ostatniej tem peratury (T3s). Założenie ciśnienia w w alczaku kotła (p2s) oraz przyjęcie minimalnej różnicy te m p e ra tu r pom iędzy spalinam i i czynnikiem roboczym w kotle równej (Atpp) (tzw. Pinch Point) pozwala wykorzystać podprogram „kocioł odzyskowy”. Ten o sta tn i spo­

śród w ażniejszych wielkości oblicza stosunek strum ieni m asy p ary do gazu

Rys. i.

Fig. i.

( f i )

(a) U kład gazow o-parow y z kotłem utylizacyjnym jednoprężnym : TG, TP - turbiny gazowa i parow a, KS, KD - komory; sp alan ia i dopalania, CP - sp ręż ark a powietrza;

(b) Rozkład te m p e ra tu r w kotle

(a) Com bined g a s-ste a m cycle w ith a single-pressurerec oveiy boiler: TG - gas tu rb in e , TP - ste a m -tu rb in e , KS - com bustion cham ber, KD - sup p lem en tary firing cham ber, CP - a ir com pressor; (b) T em p eratu re distribution in th e recovery boiler

Dane

p Sprężarka hi powietrza

Komora spalania J i i

Turbina gazowa

P hi

T V

q Komora

dopalania

Turbina h>

parowa Po

X,,>X4,gU

Nie Tak

N„

Nst = Nsl max

, skład paliwa

h s — Í3s g r

Rys. 2. Algorytm obliczeń układu gazowo-parowego z rys. 1 Fig. 2. The calculation algorithm of combinedcycle from fig. 1

doprowadzonego do u k ład u gazowo-parowego (msg), ja k również tem p e ra tu rę n a wylocie z k o tła (T5a).

Blok „turbina parow a” wym aga w prow adzenia jako danych sprawności w ew nętrznej tu rb in y Crp) i ciśnienia w kondensatorze p4s.

W dalszej kolejności wyznaczam y moc tu rb in y parowej wg zależności:

Nst = m sg(i3s - i4s)r|m r|g [kJ/kg pal] (1) gdzie:

*³g» i⁴s ~ en ta lp ia w łaściw a p a ry odpowiednio n a wlocie i wylocie z turbiny, hm» hg _ odpowiednio spraw ność m echaniczna i generatora,

m sg - stosun ek stru m ien i m asy p ary do gazu.

Zm ieniając ciśnienie w w alczaku (p2s) dla przyjętych wcześniej założeń poszukujem y m aksym alnej w artości rów nania (1), tj. N st max. D la ta k wyzna­

czonego ek strem um określam y spraw ność w ytw arzania energii elektrycznej w badanym układzie w postaci:

_ N st max + Ngt — NSp csot m ag 11 “ Wd(l + q)

gdzie:

- moc tu rb in y gazowej [kJ/kg pal],

N sp - moc potrzebna do napędu sp rężarki pow ietrza [kJ/kg pow], m ag — sto su nek stru m ien i pow ietrza i gazu doprowadzonego do komory

sp a la n ia [kg pow/kg pal],

Wd - w artość opałowa paliw a [kJ/kg p al], q - stopień dopalania.

Podane w algorytm ie wielkości mogą zmieniać się w ew nątrz pewnego ob­

szaru z zachow aniem bilansów energii i m asy, rów nania sta n u , czynników technologicznych i fizycznych, i tak:

- te m p e ra tu ra p ary świeżej może przyjmować w artości od te m p e ra tu ry n a ­ sycenia w w alczaku wysokociśnieniowym do te m p e ra tu ry granicznej t 3sgr podyktowanej w ym aganiam i konstrukcyjnym i,

- ciśnienie p a ry świeżej i jej te m p e ra tu ra są zw iązane ze stopniem suchości p ary X n a wylocie z turb iny , k tó ra nie może przekroczyć w artości X4sgr, - m in im alna różnica te m p e ra tu r pomiędzy spalinam i i p a rą w kotle odzysk-

nicowym je s t w każdym punkcie wyższa niż przyjęty „Pinch P oint” Atpp - w artość „Pinch P o in t” we w szystkich obliczeniach je s t ta k a sam a,

- te m p e ra tu ra wylotowa spalin nie może zmaleć poniżej w artości t 5agr, dla której może w ystąpić korozja niskotem peraturow a.

3. S y m u la to r u k ła d ó w g a z o w o -p a r o w y c h

Będący w fazie końcowej opracowany w Instytucie M aszyn i U rządzeń Energetycznych kom puterowy sym ulator układów parowo-gazowych pozwoli na b adanie układów parow o-gazowych o dowolnie przyjętej strukturze.

S ym ulator u k ładu parowo-gazowego składa się z następujących elementów program :

- edytor schem atów, - sym u lator urządzeń,

- tra n s la to r schem atów n a w ew nętrzną listą połączeń.

E dytor schem atów umożliwia zaprojektow anie i narysow anie dowolnego u kładu gazówo-parowego poprzez wykorzystanie występujących w nim ele­

m entów takich, jak: kocioł, przegrzewacz pary, kom ora spalania, kom ora dopalania, tu rb in a gazowa, tu rb in a parow a, skraplacz, odgazowywacz, pom ­ pa, sp rężark a, w ym iennik ciepła.

W edytorze wprowadzono elem enty łączące wymienione urządzenie w schem at za pomocą przewodów: pary, wody, paliw a gazowego, powietrza, paliw a stałego, spalin.

W szystkie te elem enty przedstaw ione są n a schemacie odpowiednio jako bloki lub linie umożliwiając zaprojektow anie dowolnego układ u parowo—gazo­

wego ja k o schem atu połączeń poszczególnych urządzeń. Edytor schematów udostępnia podstawowe operacje n a elem entach schem atu, takiejak:

- dodaw anie dodatkowych elementów układu, - usuw anie niezbędnych elem entów układu,

- przesuw anie w obrębie schem atów poszczególnych elementów, - łączenie elem entów w schem at elem entam i łączącymi (przewodami), - określenie param etrów pracy poszczególnych elementów,

- standardow e operacje edycyjne: zapis, odczyt, oraz w ydruk schematu.

Obliczenia wymienionych elementów składowych układów gazowo-paro­

wych wykonywane są za pomocą odpowiednich podprogramów zawartych w sym ulatorze urządzeń. Dla każdego z urządzeń zgromadzone są tam n a bazie przyjętych modeli m atem atycznych odpowiednie algorytm y i procedury obli­

czeniowe. Sym ulator zaw iera również procedury i funkcje pozwalające w yzna­

czyć en talp ie i entropię czynników przepływających w układach, jak również i procedury pozwalające określić n a podstaw ie znajomości tych ostatnich wiel­

kości p a ra m e try term odynam iczne czynników.

4. B a d a n e układy. W ybrane r e z u lta ty o b liczeń

W dotychczasowych badaniach autorzy dużo uwagi poświęcili układom gazowo-parowym jednopaliwowym. W tym zakresie przebadano zarówno

Rys. 3. U kład gazow o-parow y z kotłem utylizacyjnym dw uprężnym Fig. 3. Com bined g a s -s te a m cycle w ith a double-pressure recovery boiler

Rys. 4. Wpływ sto su n k u ciśnień w tu rb in ie gazowej i sto­

pnia dopalania na spraw ność u k ła d u gazo- wo-parow ego

Fig. 4. Influence of th e pressure ratio in gas tu rb in e and degree of supplem entary firing on com bined g a s - steam cycle efficiency

Rys. 5. U kład gazow o-parow y do skojarzonego w ytw arzania energii elektrycznej i ciepła Fig. 5. Com bined g a s -ste a m cycle for electric an d th e rm al power cogeneration

u k ład y z kotłem jednoprężnym przedstaw ionym n a rys. la , jak i kotłem dw uprężnym . Dokonano szerokiej analizy wpływu wybranych parametrów term odynam icznych, w tym również dopalania n a spraw ność tych układów [1]. Pozw ala ona n a stw ierdzenie, że odpowiednio dobrane param etry te r ­ m odynam iczne m ogą zapewnić osiągnięcie m aksym alnej sprawności układów.

Opracow ane algorytmy, w tym również te n pokazany n a rys. 2, pozwalają n a w yznaczenie tej m aksym alnej spraw ności term icznej i odpowiadających jej optym alnych param etrów układu.

B adan y u k ład gazowo-parowy z kotłem dw uprężnym przedstawiono n a rys. 3, n a którym zaznaczono punkty, w których są określone param etry term odynam iczne przepływających czynników przy w ykorzystaniu sym ulato­

ra układów gazowo-parowych.

P rzedstaw ione n a rys. 4 rez u lta ty obliczeń pozw alają określić zależność spraw ności w ytw arzania energii elektrycznej w badanym układzie od sto su n ­ ku ciśnień w tu rb in ie gazowej i stopnia dopalania dla tem peratury gazów n a dolocie do tu rb in y gazowej równej 1100°C [2] potw ierdzając powyższe stw ier­

dzenie. Przeprow adzone obliczenia potw ierdzają możliwość osiągnięcia b a r­

dzo wysokich spraw ności w ytw arzania energii elektrycznej w analizowanym układzie, wynoszących 52% dla tem p e ra tu ry spalin n a dolocie do tu rb in y

Rys. 6. S chem at blokowy u kładu kombinowanego gazowo-parowego zintegrowanego z in­

sta la cją pirolizy węgla

Fig. 6. Błock diagram of th e combined g a s-ste a m cycle in te g rate d w ith coal pyrolysis

gazowej równej 1100°C (rys.4) i spraw ności dochodzącej do 56,8% przy wzm iankow anej tem p eratu rze równej 1300°C [2].

W ostatnim okresie skupiono uwagę n a układach gazowo-parowych jed- nopaliwowych do skojarzonego w ytw arzania energii elektrycznej i ciepła [2].

Je d en z badanych układów pokazano n a rys. 5. Użyty do b adań sym ulator pozw ala wyznaczyć p a ra m etry term odynam iczne (jak również sprawności) w zaznaczonych n a ry su n k ach punktach, w tym również w funkcji różnego

s F “ r -

i L

= -J ] p

t 4 “ ‘r- - — J r

- , |_ x 2 3 2 G T \] r3 0 1 t>-

-3M - ^ r -

| 1-224 t>— r S . J - 5 0 4 V

AcB .- ._o

231 j-125

i —c :: „ .x r -

— i i

i j

223 >-221 ! '²²⁰

,AC2i

. — i c=----

0 À

K arbo nizat Pow ietrze --- G azy w lo to w e

1 Wegiel P ara Woda

— G az

— - G azy spalinowe

Rys. 7. Schem at układu kombinowanego gazówo-parowego zintegrowanego z instalacją pirolizy węgla

Fig.7. Schem atic diagram of th e combined g a s-ste a m cycle integrated w ith coal pyrolysis

obciążenia wymienników ciepłowniczych: gazowego i parowego (odpowiednio n r 19 i 16 n a rys. 5).

W Instytucie M aszyn i U rządzeń Energetycznych wykonano szereg obli­

czeń u k ład u parowo-gazowego zintegrow anego z instalacją atmosferycznej pirolizy w ęgla [4 - 8]. Schem at blokowy badanego u k ładu przedstawiono n a rys. 6, zaś jego dokładną s tru k tu rę n a rys. 7. Przykładowe rez u lta ty obliczeń w naw iązan iu do punktów obliczeniowych pokazanych n a rys. 7 zestawiono w tablicy 1. W badanym układzie w procesie pirolizy następuje konwersja węgla w gaz, który ostatecznie po oczyszczeniu w ykorzystany je s t w układzie tu rbi­

ny gazowej. Węgiel, który nie uległ przem ianie w gaz, w ystępuje w postaci k arbonizatu i spalany je s t w kotle fluidalnym , cyrkulującym produkującym parę dla tu rb in y parowej. Dane dotyczące procesu pirolizy, tj. odpowiednie bilanse m asy i energii otrzym ano z In sty tu tu Chemicznej Przeróbki Węgla

w Zabrzu. Obliczona spraw ność w ytw arzania energii elektrycznej w badanym układzie gazowo-parowym zintegrow anym z in stalacją atmosferycznej piroli­

zy węgla, w zależności od przyjętych param etrów p ary u k ładu leży w obszarze 41-5-44% [7],

W Instytucie M aszyn i U rządzeń Energetycznych przeprowadzono również b ad an ia polegające n a u sta le n iu param etrów term odynam icznych, jak i spraw ności w ytw arzania energii elektrycznej u kład u parowo—gazowego zinte­

growanego z in stalacją powietrznego ciśnieniowego zgazow ania (pirolizy wę­

gla) oraz ciśnieniowym paleniskiem fluidalnym .

T ab lica 1 W ybrane r e z u lta ty o b lic z e ń d la u k ła d u z rys. 7

P u n k t S trum ień kg/s

E ntalpia fizyczna kJ/kg

T em p eratu ra

°C

Ciśnienie M Pa

1 111,027 3362,00 535,0 19,000

2 106,396 3524,63 535,0 4,060

3 98,556 2853,40 192,0 0,260

U 86,033 2369,30 36,2 0,006

50 106,396 3362,00 535,0 19,000

103 75,089 153,34 36,4 1,200

118 101,642 1293,01 292,5 25,200

121 52,699 257,71 61,4 1,200

124 17,180 153,34 36,4 1,200

125 17,180 574,75 136,4 1,200

127 47,903 701,16 162,5 25,200

130 18,742 701,16 162,5 25,200

132 9,385 1293,01 292,5 25,200

201 175,259 485,42 446,8 0,120

203 175,259 223,50 212,5 0,115

220 25,062 1174,10 880,0 0,125

221 25,062 391,53 320,0 0,120

223 25,062 99,74 85,0 0,10

224 24,062 315,94 260,9 1,600

231 8,083 1301,17 880,0 ^-

232 8,083 396,65 250,0 ^-

301 125,405 1306,61 1120,0 1,560

302 125,405 632,18 574,0 0,124

504 100,343 191,48 187,8 1,600

Moc MW: T urbina parow a (ST) T u rb in a gazowa (GT)

- 159,013 - 83,731 Spręż, pow ietrza (AC1) - 33,157 Spręż, pow ietrza (AC2) - 0,484 Spręż, gazu (GC) - 9,436

Sprawność - 42,44%

Do b ad ań zaproponowano układ, którego s:hemat pokazano n a rys. 8, 9.

Szczegółowe dane dotyczące instalacji zgazowania węgla ustalono n a p o d sta­

wie analizy koncepcji przedstaw ionych przez Vereinigte E lektrizitżtsw erke W estfalen AG (VEW), ja k i koncepcji opracowanej przez C entrum U szlachet­

n ian ia W ęgla Politechniki Śląskiej w raz z Ins ytutem Chemicznej Przeróbki W ęgla w Zabrzu. Przyjęto, że w procesie zgasowania produkow any je s t gaz niskokaloryczny o wartości opałowej 4400 kJ/n„ i te m p e ra tu rz e 1100°C oraz karb o n izat wykorzystyw any w dalszym ciągu w ciśnieniowym kotle fluidal­

nym. W ydajność instalacji zgazowania określmo n a 324 ton węgla/h, zaś jej efektywność term odynam iczną n a 97%. Do balań u k ład u w ykorzystano sy­

m u lato r układów gazowo-parowych. Rezultaty badań w określonych n a sche­

m acie z rys. 8 punktach, ja k i niektóre zalożom do obliczeń wielkości zebrano w tablicy 2. Przeprowadzone obliczenia wskaziją n a możliwość osiągnięcia w badanym układzie bardzo wysokiej sprawność konwersji energii chemicznej w ęgla n a energię elektryczną dochodzącą do 48%.

T a b lic a 2 W ybrane re z u lta ty o b lic z e ń d la ik ła d u z rys. 8

N r p u n k tu Ciśnienie MPa

T em jeratura

°C S tru m ień m asy

1 0,10 710 1075,5

2 1,50 ¡78 85,0

3 1,43 372 235,1

4 1,43 372 840,4

5 1,44 1100 135,2

6 1,435 380 135,2

7 1,428 1300 1222,4

8 0,102 612 1222,4

9 0,100 100 1222,4

10 25,2 292,5 75,5

11 25,2 F41 33,6

12 19,0 535 33,6

13 19,0 535 297,5

14 4,06 535 297,5

15 - 10 90

16 1,43 850 246,8

17 0,006 36,2 297,5

18 19 535 188,4

N TP = 360, 4 MW (netto) NTG = 590 MW (netto)

U = 0,48

Rys. 8. Schem at u kładu kombinowanego gazowo-parowego zintegrowanego z instalacją pirolizy w ęgla i ciśnieniowym kotłem fluidalnym: GG - u kład gazyfikacji węgla, UOG - u k ła d oczyszczania gazu, TG - tu rb in a gazowa, TP - tu rb in a parow a, SP - sp ręż ark a pow ietrza, PFBC - ciśnieniowy kocioł fluidalny, KS - kom ora spalania Fig. 8. Schem atic diagram of th e combined g as-ste a m cycle integ rated w ith coal pyrolysis

an d pressurized fluidized bed boiler: GG - coal gasification, UOG - gas cleaning, TG - gas turbine, TP - steam turbine, SP - a ir com pressor, PFBC - pressurized fluidized bed boiler, KS - com bustion cham ber

5. P o d su m o w a n ie

W k rajach o wysokim rozwoju gospodarczym opracowano wiele propozycji technologicznych umożliwiających racjonalniejsze (z ekonomicznego p u n k tu widzenia) energetyczne wykorzystanie paliwa.

W iele z nich stanowić będzie podstaw ę modernizacji istniejących elektrow ­ ni — odbudowy mocy i budowy nowych źródeł wytwarzania energii elektrycz­

nej i ciepła. Mogą one także stanowić interesujące propozycje dla polskiej energetyki.

Isto tn e znaczenie dla najbliższej przyszłości rozwoju energetyki, ja k się obecnie wydaje, będą m iały elektrow nie gazowo-parowe o różnej stru k tu rz e . Dlatego też w Instytucie Maszyn i U rządzeń Energetycznych opracowano modele i algorytm y obliczeń układów parowo-gazowych. Pozw alają one okre­

ślić wpływ wielu param etrów n a sprawność termiczną elektrow ni kom bino­

wanych. Odpowiednio dobrane param etry zapewniają osiągnięcie m aksym al­

nej spraw ności układów. Opracowana metodologia pozwala n a wyznaczenie m aksym alnej sprawności i odpowiadającej jej optymalnych p aram etrów u k ła ­ dów.

W dotychczasowych badaniach główną uwagę skupiono na:

- uk ład ach gazowo-parowych jednopaliwowych,

- elektrow niach gazowo-parowych zintegrowanych z częściowym zgazowa- niem węgla.

W obliczeniach uzyskano następujące maksymalne spraw ności w ytw arza­

nia energii elektrycznej:

a) 56,8% — dla układu gazowo-parowego z kotłem dwuprężnym,

b) 48% - dla układu gazowo-parowego zintegrowanego z in stalacją ciśnienio­

wej powietrznej pirolizy węgla oraz ciśnieniowym paleniskiem fluidalnym , c) 44% - dla układu parowo-gazowego zintegrowanego z instalacją atm osfe­

rycznej pirolizy węgla.

Będący w fazie końcowej opracowywany w Instytucie M aszyn i U rządzeń Energetycznych kom puterowy sym ulator układów gazowo-parowy pozwoli na badanie układów kombinowanych o dowolnej strukturze.

L iter a tu r a

1. C hm ielniak T., Kotowicz J.: Wpływ wybranych param etrów term odyna­

m icznych n a sprawność układu parowo-gazowego. Koks, Smoła, Gaz, n r 12, 1990, s. 280-284.

2. C hm ielniak T., Kotowicz J.: Analysis of a Combined System of Supple­

m en ta ry Firing, Archiwum Energetyki (przygotowane do druku).

3. C hm ielniak T., Kotowicz J., Zachariasz J.: Analiza wpływu dopalania naspraw ność układów kombinowanych przy skojarzonym w ytw arzaniu energii elektrycznej i ciepła. M ateriały „The First In te rn atio n a l Scienti-

fic Symposium on Technical Economical and E nvironm ental Aspects of Combined Cycle Power P la n ts”, „COMPOWER’95”, G dańsk 1995, t. 1, s. 67-74.

4. C hm ielniak T,. Kotowicz J. i inni: A Therm odynam ic A nalysis of Combi­

ned Cycle In teg rated w ith Low P ressu re Coal Pyrolysis. M ateriały First In te rn a tio n a l Conference on Com bustion Technologies for a Clean Envi­

ronm ent, V ilam oura, Portugalia, 3 -6 sept., 1991, vol. 11, 25.1, s. 9-15.

5. C hm ielniak T,. Kotowicz J. i inni: A nalysis of Energy Production Sy­

stem s In te g rate d w ith Coal Pyrolysis. R eferat n a konferencję Coal, Energy and Environm ent, O straw a, Czechosłowacja, 1992.

6. C hm ielniak T., Kotowicz J. i inni: U kład parow o-gazow y zintegrowany z częściowym zgazowaniem węgla. M ateriały Sem inarium Ekologiczne Nowoczesne Technologie Energetyczne, Kraków 1994, s. 1-11.

7. C hm ielniak T., Kotowicz J. i inni: U kład parow o-gazow y zintegrowany z częściowym zgazowaniem węgla. Gospodarka Paliw am i i Eneregią, n r 10, 1994, s. 7-11.

8. Kotowicz J., Sciążko M.: Eklołogiczne i w ysokospraw ne technologie pro­

dukcji energii elektrycznej z węgla. Karbo, Energochem ia, Ekologia, n r 6, 1992, s. 147-152.

9. Kotowicz J. i inni: Nowe technologie energetyczne oraz m etody badawcze i pom iarowe. Opracowanie In sty tu tu M aszyn i U rządzeń Energetycz­

nych, Gliwice 1995.

Recenzent: Prof, d r hab. inż. Ludw ik Cwynar W płynęło do Redakcji: 10. 10. 1996 r.

A b stra ct

The combined gas—steam cycles have a few advantages com pare to conven­

tional steam power plants:

— h igher conversion efficiency of fuel chemical energy,

— sm aller n egative influence on th e environm ent as a re su lt of reduced S 0 2, NOx and C 0 2 emission,

— lower w aterconsum ption,

— lower to ta l p la n t costs.

T hus th e combined cycle p lan ts can be consideredas an a ltern ativ e source for g e n eratin g h e a t and electricity. In In stitu te of Power M achinery the models and calculational gorithm s of combined gas—steam cycles has been elaborated. By th is models can be th e effect of several p a ra m ete rs on com­

bined power p la n t u n its efficiency determ ined. The suitable p a ra m ete rs gives

o pportunity to determ ine th e maximal efficiency of units. The elaborated m ethodology predicts m axim al efficiency and optim isation of p aram eters.

Ininvestigations th e basic aim is directed to:

a) combined g a s-stea m cycles w ith one fuel,

b) combined g a s-stea m cycles integrated w ith p a rtia l coal gasification.

R esults of calculations show th e maximal electrical power efficiency:

a) 56,8% — for combined gas-steam cycle w ith a d o u b le-pressure recovery boiler,

b) 48% - for combined g as-steam cycle in te g rate d w ith coal pyrolysis and p ressu rized fluidized bed boiler,

c) 44% - for combined g a s-stea m cycle in teg rated w ith coal pyrolysis.