Wpływ struktury elektrowni gazowo-parowej na charakterystyki sprawności

ZESZYTY NAUKOW E POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 2003

Seria: E N E R G ET Y K A z. 139 N r kol. 1590

Jan u sz K O T O W IC Z

Instytut M aszyn U rządzeń Energetycznych P olitechnika Śląska

ul. K on arskiego 22, 44 -1 00 G liw ice e-m ail: K o to w ic z@ rie 5 .ise.p o lsl.g liw ic e .p l

W PŁ Y W S T R U K T U R Y E L E K T R O W N I G A Z O W O -P A R O W E J N A C H A R A K T E R Y S T Y K I SP R A W N O Ś C I

Streszczenie. W artykule przedstawiono dwie metodologie określenia sprawności elektrowni gazów o-p ar owych. Dla każdej metodologii przedstawiono przykłady obliczeniowe. Opracowane metodologie pozwalają wyznaczyć sprawność badanych układów w fu n kcji temperatury na wlocie do turbiny gazowej i stopnia sprężania przy optymalnej części parow ej układu. Obliczenia wykonano dla różnych struktur elektrowni: z kotłem jednociśnieniowym, dwuciśnieniowym z przegrzewem i bez przegrzewu między stopniowego oraz trój ciśnieniowym z przegrzewem międzysto- pniowym.

T H E IN F L U E N C E O F T H E S T R U C T U R E O F A G A S -A N D -S T E A M P O W E R S T A T IO N O N T H E C H A R A C T E R IS T IC S O F E F F IC IE N C Y

Sum m ary. The paper deals with two methods o f determining the efficiency o f combined gas-and-steam pow er stations. For each o f them examples o f calculations have been quoted. These two methods perm it to determine the efficiency o f investigated systems as a function o f temperature at the inlet to the gas turbine and the compression ratio fo r the optimal steam part o f the system. Calculations have been carried out concerning various structures o f pow er stations with a single­

pressure waste-heat boiler, a double-pressure waste-heat boiler with and without reheat and a triple-pressure w aste-heat boiler and reheat.

1. Wprowadzenie

A by zm niejszyć straty egzergii w części parow ej układu gazow o-parow ego należy dążyć do zbliżenia przebiegu tem peratury spalin i czynnika obiegow ego w kotle. U zyskuje się to przez zastosow anie dw óch lub trzech obiegów ciśnieniow ych w kotle od zy sk o w y m .[l], [2], W konsekw encji tego rośnie spraw ność energetyczna obiegu parow ego i elektrow ni gazow o-parow ej. W ynika z tego konieczność m odelow ania i obliczania charakterystyk różnych elektrow ni, począw szy od układu z kotłem jednoprężnym aż do układu z kotłem trójprężnym . Stosow ane w tych układach kotły różnią się m iędzy so b ą nie tylko ilością obiegów ciśnieniow ych, lecz także:

1) Rodzajem kotła. Do układów kom binow anych są dostarczane zasadniczo dw a typy kotłów : poziom e lub pionow e.

2) Sposobem rozm ieszczenia pow ierzchni ogrzew alnych w kotle (szeregow y, rów noległy, m ieszany).

3) U kładem podgrzew u kondensatu i w ody zasilającej (rozbudow anym w przypadku paliw zaw ierających siarkę).

Z punktu w idzenia term odynam icznego za kryterium doboru rozm ieszczenia pow ierzchni ogrzew alnych w kotle odzyskow ym należy w ybrać m inim alizację strat strum ienia egzergii przy nieodw racalnym przepływ ie ciepła pom iędzy spalinam i a w o d ą i parą. D obór rozm ieszczenia pow ierzchni ogrzew alnych w kotle odzyskow ym prow adzi się z w ykorzystaniem m etody pinch. [3], [4], O ostatecznym w yborze struktury całego układu zaw sze decy d u ją kryteria ekonom iczne [5], [6]. O płacalność ekonom iczna procesów energetycznych je s t przew ażnie je d n ak w yższa ze w zrostem spraw ności energetycznych.

W prow adzonych obliczeniach znaczenie m a przyjęcie zarów no rozm ieszczenia pow ierzchni ogrzew alnych, ja k i param etrów projektow ych kotła takich jak:

i) M inim alne spiętrzenie (przew ężenie) tem peraturow e pom iędzy czynnikam i w parow niku A tpp(Y=h- w ysokiego ciśnienia, Y=i- średniego ciśnienia, T o ­ m skiego ciśnienia).

ii) N iedogrzanie w ody na w locie do w alczaka ciśnienia A trap .

iii) G raniczna (dopuszczalna) tem peratura spalin w ylotow ych z kotła t5agr.

iv) Straty ciśnienia w kotle.

W prezentow anym artykule przedstaw iono niektóre rezultaty badań czterech różnych struktur elektrow ni gazow o-parow ych. P ierw szą stanow i układ z kotłem jednoprężnym pokazany na r y s .l. A nalizę tego układu przedstaw iono m iędzy innym i w [7], D ru g ą strukturę układu gazow o-parow ego z kotłem odzyskow ym dw uprężnym pokazano na rys.2. R ozkład pow ierzchni ogrzew anych w kotle je s t szeregow o-rów noległy.

R ów nolegle rozm ieszczone są: niskociśnieniow y podgrzew acz w ody i pierw sza część w ysokociśnieniow ego podgrzew acza w ody oraz druga część w ysokociśnieniow ego podgrzew acza w ody i przegrzew acz pary niskiego ciśnienia. P okazany na rys.2 układ p oprzez w prow adzenie przegrzew u m iędzystopniow ego doprow adza do kolejnej struktury, tj. układu gazow o-parow ego dw uciśnieniow ego z przegrzew em m iędzystopniow ym . M iejsce w prow adzenia przegrzew acza zaznaczono linią k ropkow aną na schem acie z rys.2.

O bliczenia takiego układu autor przedstaw ił w [8], Jeszcze inną strukturę stanow ić może elektrow nia gazow o-parow a z trójciśnieniow ym kotłem zarów no bez ja k i z przegrzew em m iędzystopniow ym pokazana na rys. 3. A nalizę efektyw ności ostatniej autor przedstaw ił w [9],

WPŁYW STRUKTURY ELEKTROWNI GAZOWO-PAROWEJ NA 219

Rys. 1. Elektrownia gazowo-parowa z kotłem jednoprężnym (TG, TP - turbina gazowa i parowa, SP - sprężarka powietrza, KS- komora spalania, G -generator)

Fig. 1. Combined gas-and steam power station with a single-pressure boiler (TG, TP - gas and steam turbine, SP- air compressor, KS- combustion chamber, G - generator)

Rys. 2. Elektrownia gazowo-parowa z kotłem dwuciśnieniowym bez i z przegrzewem międzystopniowym

Fig. 2. Gas-and-steam power station with a double-pressure boiler without and with interstage

superheating

Rys. 3. Schemat elektrowni gazowo-parowej z kotłem trójciśnieniowym i przegrzewem międzystopniowym (TG, TP - turbina gazowa i parowa, SP - sprężarka powietrza, KS- komora spalania, G - generator, W-walczak)

Fig. 3. Diagram of a gas-and-steam power station with a triple pressure boiler and reheat (TG, TP - gas and steam turbine, SP - air compressor, KS - combustion chamber, G - generator, W - drum)

2. P od sta w ow e ch arak terystyk i b ad an ych układów

Spraw ność term iczna obiegu gazow o-parow ego bez dopalania zdefiniow ana je st jako:

Vtg-p

N nv + N np a

c o

gdzie: MiTGi NrrP - m oc w ew nętrzna instalacji turbiny gazow ej i parow ej, Q j - strum ień ciepła doprow adzony do obiegu.

R ów nanie (1) m ożna doprow adzić do postaci:

W tg - p = ViTG + KO ~ ViTG ) > ( 2 )

gdzie: tjiTC, tjiTP, tjk0 - spraw ność term iczna obiegu gazow ego, parow ego i kotła odzyskow ego, przy czym : riiIP = N rrp/ Q , tjk 0 = Q / Q Aa, t]iTG = N nx}/ Q d (g d zie :0 , Q4a- strum ień ciepła użytecznego przekazanego w kotle i na w ylocie z turbiny gazow ej).

WPŁYW STRUKTURY ELEKTROWNI GAZOWO-PAROWEJ NA 221

Z (2) w ynika w prost, że w arunkiem w zrostu spraw ności obiegu gazow o-parow ego jest:

TlP

Rys. 4. Interpretacja zależności (3) Fig. 4. Relation (3)

(3)

^ 7/7C 1- Hnc

A naliza (3) pozw ala w yciągnąć następujący w niosek: w zrost spra­

w ności term icznej obiegu turbiny gazow ej pow oduje w zrost spra­

w ności układu gazow o-parow ego tylko wtedy, jeżeli nie spow oduje zbyt dużego spadku w części parow ej układu {r/p = tjitptjko ).

Z ależność (3) pokazano na ry s.l.

W ynika z niej, że im w yższa je st spraw ność turbiny gazow ej, tym w iększy m oże być spadek spraw ności w części parow ej układu (przy czym w artość ta m aleje ze w zrostem spraw ności części parow ej układu).

S praw ność w ytw arzania energii elektrycznej w elektrow ni gazow o-parow ej (bez dopalania) zdefiniow ana je s t zależnością:

gdzie: NdrG, NciTP - m oc elektryczna: instalacji turbiny gazow ej i parow ej, (mpWd) - strum ień energii chem icznej zaw arty w paliw ie.

Z ależność (4) m ożem y przekształcić do postaci:

H e lg - p

=

(^)

W rów naniu tym r\dTPt rjeiTG je s t interpretow ane ja k o spraw ność w ytw arzania energii

N N

elektrycznej w części parow ej i gazow ej układu (TjdTP = —— , r/elTG = e- Ł ■), z kolei

Q * a ( m p W J )

amax je s t rów ne a max = .

O gólnie rzecz biorąc układy parow y i gazow y w chodzące w skład układu kom binow anego nie s ą autonom iczne. Jeżeli je d n a k założyć, że dokonano doboru turbiny gazow ej w raz z param etram i term odynam icznym i określającym i je j w arunki pracy, to zagadnienie optym alizacji spraw ności układu gazow o-parow ego sprow adza się do optym alizacji spraw ności części parow ej układu (w g jednej z przedstaw ionych niżej m etodologii). W tym w ypadku przy stałej w artości ciepła odpadow ego z układu gazow ego odprow adzonego do układu parow ego op ty m aln ą w artość param etrów pary produkow anej w kotle należy poszukiw ać łącznie z określaniem w artości stosunku strum ieni m asy pary

i gazu. W arunek m aksym alnej spraw ności obiegu parow ego, przy uw zględnieniu niezm iennej w artości ciśnienia w skraplaczu, m ożna w takim przypadku sprow adzić do żądania:

l e l T P ’ N e l T P = m a X

(

)

Jeżeli założym y, że określone są param etry paliw a, utleniacza i odniesienia oraz param etry zw iązane z czynnikam i technologicznym i, takie ja k spraw ności: w ew nętrzne m aszyn, m echaniczne i generatorów , kom ory spalania, w ym iany ciepła w kotle itd. oraz przyjm ując: param etry projektow e kotła, straty ciśnienia, ja k i straty nieszczelności i chłodzenia, to ogólnie m ożem y zapisać [8],[9]:

ri"g-P = f [ t , a.P K. ( S r , t l , p i ) ], (7) gdzie: t3a - tem peratura spalin n a w ylocie z kom ory spalania, - stosunek ciśnień w sprężarce pow ietrza, S v - stosunek strum ienia m asy pary do gazu, t Y,s, p Ys - tem peratura i ciśnienie pary (Y=h - w ysokiego ciśnienia, Y=i - średniego ciśnienia, Y=l - niskiego ciśnienia).

D la elektrow ni kom binow anej z kotłem trójprężnym ilość param etrów w ystępująca w rów naniu (7) m oże być rów na 11 [9], gdy w ielkości stosunku strum ienia pary i gazu oraz ciśnienia i tem peratura pary na dolocie do turbiny w y stę p u ją odrębnie dla części w ysoko- (Y=h), średnio- (Y=i) i niskoprężnej (T=7). D la układu dw uciśnieniow ego w (6.1 2) w ystępuje do 8 param etrów [8], a dla układu z kotłem jednociśnieniow ym do 5 param etrów

W przypadku układów gazow o-parow ych z dopalaniem w (7) znajduje się rów nież stopień dopalania [1 0].

O dpow iednio dobrane param etry (term odynam iczne) m o g ą zapew nić osiągnięcie m aksym alnej spraw ności w układzie gazow o-parow ym . Jeżeli spełniony je s t w arunek określony rów naniem (6), to rów nanie (7) przyjm uje postać:

H e lg - p = V e lg - p (jlelT P • N elTP = m C t x ) = f { h a ’ P k )

(8)

3. M eto d o log ie ok reślen ia spraw ności

O bliczenia dla jednej w artości stosunku ciśnień (fiK) w sprężarce pow ietrza instalacji turbiny gazow ej realizow ane są w następującej kolejności. W pierw szym rzędzie prow adzone są obliczenia dla części gazow ej obiegu. D otyczą one: sprężarki pow ietrza, kom ory spalania, turbiny gazow ej. O bliczenia te prow adzone są dla jednostki strum ienia m asy spalanego gazu w kom orze spalania i w ykonyw ane są dla zadanej tem peratury spalin na w locie do turbiny gazow ej t3a. Z akłada się, że dla części gazow ej znane są:

■ spraw ności w ew nętrzne i m echaniczne m aszyn oraz spraw ność generatora i kom ory spalania,

■ param etry paliw a, pow ietrza i odniesienia,

■ straty ciśnienia w poszczególnych w ęzłach instalacji ja k i straty nieszczelności i chłodzenia.

WPŁYW STRUKTURY ELEKTROWNI GAZOWO-PAROWEJ NA 223

W konsekw encji przeprow adzonych obliczeń w yznaczone s ą param etry term odynam iczne w poszczególnych punktach części gazow ej obiegu, w tym rów nież tem peratura na w ylocie z turbiny gazow ej (t4a), ja k również:

• spraw ność w ytw arzania energii elektrycznej w części gazow ej układu (rjeiTG),

• stosunek strum ienia ciepła na w ylocie z turbiny gazow ej do m ocy elektrycznej turbiny gazow ej (amax),

• stosunek strum ieni pow ietrza do gazu doprow adzonych do kom ory spalania.

W dalszej kolejności rozw iązyw ana je s t część parow a układu, k tó rą stanow i kocioł odzyskowy z tu rb in ą p aro w ą i odgazow yw acz. W prow adzonych obliczeniach w części parowej przyjm uje się [7],[8],[9]:

a) sta łą różnicę tem peratur Atr (Y = h,i,l) pom iędzy spalinam i dopływ ającym i do przegrzew acza (Y=h - w ysokiego ciśnienia, Y—i- średniego ciśnienia, Y=l- niskiego ciśnienia) a tem p eratu rą pary w ytw orzoną w nim (zasada ta nie obow iązuje w przypadku w ytw arzania pary nasyconej suchej), przy czym tem peratura tej pary m oże przyjm ow ać w artości od tem peratury nasycenia w w alczaku do tem peratury granicznej (t3sgr) podyktow anej w ym aganiam i konstrukcyjnym i,

b) tem peraturę w ody na dolocie do w alczaka ró w n ą tem peraturze nasycenia dla p r3s pom n iejszo n ą o stałą w ielkość A tyap ,

c) gran iczn ą tem peraturę spalin t5agr (dla której m oże w ystąpić korozja niskotem peraturow a), przy czym tem peratura w ylotow a spalin z kotła t5a m usi być nie m niejsza od w artości t5agr tj . t5a > t5agr,

d) graniczny stopień suchości pary X 4xgr (w ynikający z m ożliw ości erozji układu łopatkow ego), przy czym stopień suchości pary na w ylocie z turbiny X 4s m usi być w iększy lub rów ny od w artości X 4sgr, tj. X 4s > X 4sgr.

Ponadto w prow adzonych obliczeniach zakłada się:

1) stałe ciśnienie pary w kondensatorze (p4J i odgazow yw aczu (pHj, 2) stałą tem peraturę w ody zasilającej (twz).

O bliczenia spraw ności części parow ej układu zasadniczo m ożna prow adzić w edług dw óch m etodologii. P odane wyżej uw agi d o ty c zą obydw u m etodologii, niżej podano różnice.

• W m etodologii 1 zakłada się sta łą m inim alną różnicę tem peratur (A tpp= const) w parow niku pom iędzy spalinam i ) a wodą:

Ty - T y = A ty (9)

1 ppa P P 9 '

gdzie Tp - tem peratura nasycenia dla ciśnienia p \s .

Założenie A tpp = const pozw ala w yznaczyć, w ykorzystując bilanse energii odpow iednich elem entów układu parow ego (kotła, odgazow yw acza) stosunek

strum ienia pary (w ytw orzonej w w alczaku i doprow adzonej do turbiny) do strum ienia gazu doprow adzonego do kom ory spalania S Y. Dla zadanej w artości p r znajdujem y

rjeirp . Poszukiw anie w artości m aksym alnej Tjelrp (lub NdrP) prow adzi się zm ieniając p r z krokiem A p \s w przedziale p \ " < p is < (o-w artośc początkow a, k-w artość końcow a). D ysponując w artością m aksym alną rjdfp w yznaczam y dla danego stosunku

* sprężu w ielkość T}el .

• Podstaw ow e założenie w II m etodologii m ówi, że m inim alna różnica tem peratur w parow niku pom iędzy spalinam i a w odą je s t w iększa lub rów na od przyjętej wartości

A t YFP, co zapiszem y:

T r - T Y > A tr_{p p a n p p}

V /

D la zadanej w artości p rJs oraz S Y znajdujem y t]e[TP. P oszukiw anie w artości m aksym alnej TJelTP (lub Ne/Tp) prow adzi się w tym w ypadku łącznie w zadanych przedziałach: ciśnienia p Yf < p is < p Y* i stosunków strum ienia m asy pary do gazu

S Y,°

S r

S r,k

7jelTP

* stosunku sprężu w ielkość JJel .

W zakresie najczęściej w ystępujących tem peratur na w locie do kotła t4a ( oprócz niew ielkich w artości f3K) obydw ie przedstaw ione m etodologie obliczeń p row adzą do tych sam ych charakterystyk v h g. p = f { f lK) ■

4. D ane do obliczeń

D la części gazow ej w szystkich badanych układów przyjęto:

1. Paliw o - gaz ziem ny o składzie 95% CH 4, 5 % N 2.

2. T em peratura pow ietrza pobieranego z otoczenia i paliw a 15°C.

3. C iśnienie otoczenia 0,101325 MPa.

4. Spraw ność izentropow a turbiny gazow ej i sprężarki pow ietrza: 0,9 i 0,86.

5. Spraw ność m echaniczna m aszyn oraz generatora 0,99.

6. Straty ciepła w kom orze spalania 1% (mp Wj).

7. Straty ciśnienia w w ęzłach instalacji, straty nieszczelności i chłodzenia ja k w [7], [8], [9].

Ponadto w obliczeniach części gazow ej zm ieniano:

1) Stosunek ciśnień w sprężarce pow ietrza w przedziale 8 < (iK < 30, z krokiem rów nym 0,25.

2) Tem peraturę gazów spalinow ych na w locie do turbiny gazow ej (t3a) w zakresie 1 150°C < t3a < 1400°C co 50°C; podstaw ow e obliczenia w ykonano dla t3a= 1200°C i 1300°C.

WPŁYW STRUKTURY ELEKTROWNI GAZOWO-PAROWEJ NA 225

Dla części parow ej w szystkich badanych elektrow ni założono:

A. G raniczną tem peraturę pary i spalin t3sgr = 540°C, t5agr = 80°C.

B. G raniczny stopień suchości pary X 4sgr = 0,89.

C. C iśnienie pary w kondensatorze p 4s = 0,005 M Pa i odgazow yw aczu /?&=0,14 M Pa.

D. Tem peraturę w ody zasilającej twz = 60°C.

E. S praw ność w ew n ętrzn ą (izentropow a) pom p 0,85.

F. Iloczyn spraw ności m echanicznej pom py i je j silnika elektrycznego rów ny 0,855.

Ze w zględu na specyfikę badanych układów dla każdego z nich przyjęto indyw idualne dane i zakresy zm iennych podane niżej.

W prow adzonych badaniach elektrow ni z kotłem jednociśnieniow ym przyjęto spraw ność izentropow ą turbiny parow ej 0,84 oraz A th = 2 8 K, A tpp = 7 K, A thap = 6 K .W obliczeniach ciśnienie pary w ysokoprężnej zm ieniano w przedziale 2 M P a < p 3s < 11 M Pa z krokiem Ap3s = 0,02 M Pa.

W przypadku elektrow ni z kotłem dw uciśnieniow ym z przegrzew em i bez przyjęto:

A. D la części w ysokoprężnej: spraw ność w ew nętrzna turbiny 0,86, A th = 2 8 K, A thpp = 7 K, < = 6 K.

B. D la części niskoprężnej: spraw ność w ew nętrzna turbiny 0,84, A t ' = \ 0 K, At'p p = 9 K, At'ap = 6 K.

W trakcie obliczeń układu dw uciśnieniow ego ciśnienia pary zm ieniano w przedziale:

1) dla części w ysokoprężnej: 2 MPa < p\s < 11 MPa z krokiem 0,01 M Pa, 2 ) dla części niskoprężnej: 0,2 MPa < p[, < 0,6 MPa z krokiem 0,01 M Pa.

D la układu dw uciśnieniow ego z przegrzew em ciśnienia pary zm ieniano w przedziale:

1) dla części w ysokoprężnej: 1OMPa < p \s < 19MPa z krokiem 0,1 M Pa, 2) dla części niskoprężnej: 0,4 MPa< p'3s < 3,6 MPa z krokiem 0,01 M Pa.

A nalizę elektrow ni z kotłem trójciśnieniow ym z przegrzew em przeprow adzono przyjm ując następujące dane i zakresy zm iennych:

1) D la części w ysokoprężnej: spraw ność w ew nętrzna turbiny0,86, A th = 2 8 K, A thpp = 7 K, At% = 6 K; ciśnienie pary w obliczeniach zm ieniano w przedziale 10 MPa < p \s < \9M Pa z krokiem 1 M Pa.

2) D la części średnioprężnej: spraw ność w ew nętrzna turbiny 0,89, z l f '= 1 0 K, At'pp = 9 K , At' = 9 K; ciśnienie pary w obliczeniach zm ieniano w przedziale 1,4 MPa < p'}s < 5MPa z krokiem 0,4(0,2) MPa.

3) Dla części niskoprężnej: spraw ność w ew nętrzna turbiny 0,79, At'r p = 9 K, At'ap= 6 K; ciśnienie pary w obliczeniach zm ieniano w przedziale 0,15 MPa < p \s < 0,9 MPa z krokiem 0,1 (0,03) MPa.

W przypadku obliczeń układów z przegrzew em m iędzystopniow ym założono rów ność tem peratury pary w ysokiego ciśnienia i po przegrzew ie.

Prow adząc obliczenia w edług m etodologii określonej ja k o II należy dodatkow o założyć przedział w artości stosunku strum ienia pary do strum ienia paliw a

S y.o < i5, r < $ Y k oraz krok A Sy.

5. R ezultaty obliczeń

N a rysunku 5 przedstaw iono przebieg zależności spraw ności w ytw arzania energii elektrycznej w układzie jednociśnieniow ym dla t3a = 1 2 0 0 "C i różnych w artości stosunku strum ienia pary do strum ienia paliw a S y (Y = h) od Sy = 80 do S r = 140 kg pary/km ol gazu, co ASy= 10 kg pary/km ol gazu. K ażdą z narysow anych tam charakterystyk r/hg-P — f { P x) dla S y = const otrzym ano w yznaczając m aksym alną spraw ność w ytw arzania energii elektrycznej w części parowej układu wg m etodologii II, ograniczając przedział poszukiw ań S r,° < S r < S y,k do określonej w artości S y. Z rysunku 5 w ynika, że przy zadanym stosunku ciśnień f j K (dla określonej t3a) m aksym alna spraw ność V e\g-p osiągana je s t tylko dla jednej w artości stosunku strum ienia pary do strum ienia paliwa.

W yznaczone charakterystyki T]'elg_p = f ( f i K) dla S f = const p o siad ają m aksim um , dla S*

z przedziału 80=140 kg pary/km ol paliw a zm ienia się ono w zakresie 0,4737 =0,5078 i osiągana je s t przy coraz niższym J3K w raz ze w zrostem w artości S*. R ysując krzyw ą obw iedniow ą po w yznaczonych przebiegach T]'elg_ = f { f i K) dla S1’ = const, k tórą pokazano na rys. 5 linią grubą, uzyskam y przebieg rfelg_p = f { f i K) (dla p i f < p 3s < p rJ i S r ° < S y < S r,k). A by w yznaczyć na niej dokładne ekstrem um , należy w obszarze zaznaczonym na rysunku prostokątem w ykonać obliczenia z m niejszym krokiem A Sy.

N a rysunku 6 pokazano obliczone charakterystyki rie\g-p - / ( / ? K )przy tia = 1300° C dla w szystkich badanych układów . D o w yznaczenia charakterystyk dla innego zestaw u danych (np. dla t3a = 1250°C) m ożna rów nież w ykorzystyw ać algorytm y neuronow e [1 1],

W ykorzystując obliczone charakterystyki r/'elg_p = f { f) K) dla t3a = const, określa się m aksym alną w artość tej funkcji ) i konstruuje zależności Tjfff_p = f ( t 3a) , które pokazano na rys.7 dla w szystkich badanych struktur elektrow ni gazow o-parow ych.

WPŁYW STRUKTURY ELEKTROWNI GAZOWO-PAROWEJ NA 227

Rys. 5. Wpływ stosunku strumienia pary do paliwa na przebieg zależności rfeig.p= dla elektrowni gazowo-parowej z kotłem jednociśnieniowym dla tla= 1200°C

Fig. 5. The influence o f the steam flux/ fuel ratio on the dependence T]\ig.p= f(J3K) concerning a gas-and-steam power station with a single-pressure boiler when iJa=1200°C

A proksym ując w yznaczone zależności rów naniem liniow ym uzyskam y odpow iednio dla układu:

(i) z kotłem trójciśnieniow ym z przegrzew em m iędzy stopniow ym (oznaczanym : 3PR)

U^g-p = 0 ,1 7 6 7 10“3 t3a + 0 ,3 2 5 9 8 (gdzie:U a je s t bezw ym iarow ą tem p eratu rą ró w n ą liczbow o w artości tia w yrażonej w °C, R 2 = 0 ,9 9 6 8 )

(ii) z kotłem dw uciśnieniow ym z przegrzew em m iędzystopniow ym (2PR )

rj7g-P = 0,1818-10 3 / 3a + 0 ,3 0 3 2 4 (R 2 = 0,9998)

(iii) z kotłem dw uciśnieniow ym (oznaczanym 2P)

= 0,1946-10 '3-ha + 0 ,2 8 5 2 5 ( R 2 = 0 ,9 8 8 9 )

(iv) z kotłem je d nociśnieniow ym (oznaczanym 1P)

= 0 ’2 2 8 9 ' 1 0 "3 ~ha+ 0 ’2 3 0 4 5 ( /?2 = 0,9932 )

R ys 6. Z ależn o ści 77eig-p=^(Pid, (układ: 1P -je d n o c iś n ie n io w y , 2P - dw uciśn ien io w y ,2 P R - d w u ciśnieniow y z przegrzew em , 3PR - trójciśnieniow y z p rzegrzew em )

Fig. 6. R elations 77eig-P=^{Pid, (1 P - single-pressure system , 2 P - d o uble-pressure system , 2 P R - d o uble-pressure system w ith a reheat, 3 P R - triple pressure system w ith reheat)

R ys. 7. W pływ p rzy jęcia struktury badanego układu na spraw ność m ak sy m aln ą rfelg.p. (układ:

ł P - jed n o ciśn ien io w y , 2 P - dw uciśnieniow y, 2 P R - dw uciśnieniow y przegrzew em , 3PR - trójciśn ien io w y z p rzegrzew em )

Fig. 7. T he effect o f ad apting the structure o f the investigated system to the m axim um efficiency rj eig.p.{\'P - single-pressure system , 2P - d o uble-pressure system , 2 P R - d o uble-pressure system with a reheat, 3P R - triple pressure system w ith reheat)

WPŁYW STRUKTURY ELEKTROWNI GAZOWO-PAROWEJ NA 229

6. P od su m o w an ie

• W raz z rozw ojem technologii w ykonania turbin gazow ych (w zrost t3a) i rozbudow ą struktury elektrow ni następuje w zrost spraw ności układu. O ostatecznym w yborze struktury układu decyduje analiza ekonom iczna. W przypadku układów zasilanych gazem ziem nym istotne znaczenie m a je g o cena [1 2].

• W yznaczone charakterystyki J]eig-P = f i f i a ) dla w szystkich badanych struktur elektrow ni gazow o-parow ych są stosunkow o płaskie, szczególnie w przedziale zaw ierającym ekstrem um (tym bardziej im w yższa je s t tem peratura t3a).

W konsekw encji stosunek ciśnień prow adzący do spraw ności zbliżonej do m aksym alnej m ożna dobierać z szerokiego przedziału, pod w arunkiem że pozostałe param etry są w łaściw ie dobrane.

• W ykorzystując w yznaczone charakterystyki nlig- P = f { P K) określono przedstaw ioną na ry s.7 m aksym alną spraw ność w ytw arzania energii elektrycznej dla w szystkich badanych struktur elektrow ni w funkcji tem peratury t3a. W każdym przypadku następuje przyrost r¡^“gx_p w raz ze w zrostem t 3a. D obre w spółczynniki korelacji uzyskano aproksym ując zależności tj^ _ = / ( ł 3a) rów naniam i liniowym i.

• R óżnica w yznaczonych m aksym alnych spraw ności elektrow ni z rozbudow aną strukturą i układu z kotłem jednociśnieniow ym zm niejsza się ze w zrostem tem peratur spalin na w ylocie z kom ory spalania.

Dla t3a = 1150°C różnica J}^LP pom iędzy układam i 3PR a 1P w ynosi - 3 ,1 9 punktu procentow ego, z kolei pom iędzy układam i 2P (lub 2PR ) a 1P je s t rów na -1 ,5 5 punktu procentow ego.

D la t3a = 1400°C różnice te w ynoszą:

A. - 2 ,5 punktu procentow ego pom iędzy układem 3PR a 1P B. - 0 ,9 7 punktu procentow ego pom iędzy układem 2P R a 1P C. - 0 ,6 6 punktu procentow ego pom iędzy układem 2P a 1P

R óżnice T]^_p pom iędzy układam i dw uciśnieniow ym z przegrzew em i bez są nieznaczne. K orzyści z zastosow aniem przegrzew u są w idoczne dopiero przy bardzo w ysokich tem peraturach t3a.

Bibliografia

1. C hm ielniak T.: O biegi term odynam iczne turbin cieplnych. O ssolineum , W rocław 1988.

2. C hm ielniak T., R usin A., C zw iertnia K.: T urbiny gazow e. O ssolineum , W rocław 2001.

3. S zargut J., Z iębik A.: P odstaw y energetyki cieplnej. PW N , W arszaw a 1998.

4. S zargut J., H oinca K.: Z astosow anie m etody pinch do doboru rozm ieszczenia pow ierzchni ogrzew alnych w kotle odzyskow ym turbiny gazow ej. G ospodarka Paliw am i i Energią, N r 6, 2000.

5. Skorek J.: O cena efektyw ności energetycznej i ekonom icznej gazow ych układów kogeneracyjnych m ałej mocy. W ydaw nictw o P olitechniki Śląskiej, G liw ice 2002.

6. Bartnik R.: A naliza term odynam iczna i ekonom iczna skojarzonego w ytw arzania ciepła i energii elektrycznej w układach gazow o-parow ych. Z eszyty N aukow e Politechniki Śląskiej, s. Energetyka, z. 136, G liw ice 2002

7. K otow icz J.: W pływ w ybranych param etrów na efektyw ność pracy elektrow ni gazow o- parow ej z kotłem jednociśnieniow ym . G ospodarka Paliw am i i Energią, N r 1, 2003 8. K otow icz J.: W pływ w ybranych param etrów na efektyw ność w ytw arzania energii

elektrycznej w elektrow ni gazow o-parow ej z dw uciśnieniow ym kotłem i przegrzew em m iędzystopniow ym . Prace naukow e - M echanika. Z. 190, Politechnika W arszawska, W arszaw a 2001, s. 217-^228.

9. K otow icz J.: A naliza efektyw ności elektrow ni gazow o-parow ych; układ z trójciśnienio- w ym kotłem i przegrzew em m iędzystopniow ym . A rchiw um Energetyki, tom X X X I (2 0 0 2), nr 1-2, s. 1-2 1.

10. C hm ielniak T., K otow icz J.: A nalysis o f com bined gas-steam cycles with supplem entary firing. A rchiw um E nergetyki, N r 3-4, 1997, s.71-83.

11. K otow icz J., C hm ielniak T., R em iorz L.: M odelow anie optym alnych układów parow o- gazow ych z w ykorzystaniem algorytm ów neuronow ych. G ospodarka Paliw am i i Energią. N r 10, 2001, s. 13—17.

12. K otow icz J., C hm ielniak T.: M ethods o f determ ining the adm isible price o f fuels for com bined heat and pow er genereating plants fired w ith natural gas. A rchiw um Energetyki, N r 3 - 4 ,2 0 0 1 , s. 27 —4 1.