Технологии повышения тепловой экономичности отечественных ТЭЦ
Μ. Μ. Замалеев, В.И. Шарапов Ульяновский государственный технический университет (УлГТУ)
Показано, что на большинстве отечественных ТЭЦ имеются значительные резервы энергоэффективности, связанные с нерациональным обеспечением тепловых нагрузок водоподготовительных установок (ВПУ). Предложены новые решения экономичного покрытия этих нагрузок с использованием низкопотенциальных регенеративных отборов теплофикационных турбин.
Особенностью отечественной энергетики является высокая степень централизации теплоснабжения. Основными источниками теплоты являются теплоэлектроцентрали, суммарная электрическая мощность которых составляет более 30% мощности электростанций страны. Для многих отечественных теплоэлектроцентралей характерны значительные расходы подпиточной воды теплосети и добавочной питательной воды котлов. Например, на ТЭЦ Санкт-Петербурга, Екатеринбурга и ряда других городов с крупными открытыми системами теплоснабжения расход подпиточной воды теплосети достигает 6000 — 8000 т/ч. На промышленно-отопительных ТЭЦ, обеспечивающих технологическим паром крупные производства, расход добавочной питательной воды также измеряется тысячами тонн в час. Тепловая схема и температурный режим водоподготовки при таких больших расходах подготавливаемой воды в значительной мере определяют тепловую экономичность всей электростанции.
В настоящее время для обеспечения тепловых нагрузок водоподготовительных установок ТЭЦ, как правило, применяются устаревшие и малоэкономичные схемы, разработанные в 60-е годы прошлого столетия. Обследование схем подогрева потоков воды перед термическими деаэраторами показывает, что на многих ТЭЦ, построенных с конца 70-х до начала 90-х годов и не оборудованных турбинами типа ПТ-60-130/13 из-за снятия этих турбин с производства, широко применяется пар высокопотенциального производственного отбора. На ранее построенных ТЭЦ с турбинами типа ПТ-60-130/13 или ее аналогами для подогрева подпиточной и добавочной питательной воды применяется регулируемый отопительный отбор, не связанный с сетевыми подогревателями. Этот способ подогрева обладает достаточно высокой экономичностью и надежностью, однако вследствие физического износа и выработки паркового ресурса турбинами типа ПТ-60-130/13 (доля турбин, отработавших 220 тыс. часов, составляет более 50%) вынужденно заменяется на менее экономичный. Наиболее часто используется пар производственного отбора, что значительно снижает выработку электроэнергии на
тепловом потреблении. В связи с этим актуальной задачей является разработка достаточно универсальных и высокоэкономичных технологий подогрева потоков подпиточной и добавочной питательной воды, применимых на большинстве отечественных ТЭЦ.
Одним из наиболее перспективных решений, позволяющих повысить экономичность и надежность водоподготовки на ТЭЦ, является использование пятого нерегулируемого отбора наиболее распространенной в нашей стране теплофикационной паровой турбины типа Т-100-130. Использование этого отбора для деаэрации подпиточной воды в атмосферном деаэраторе было предусмотрено со времени разработки данной паровой турбины [1]. Однако проведенные обследования ряда отечественных ТЭЦ показывают, что при имеющейся возможности экономичного и надежного покрытия тепловых нагрузок водоподготовки за счет пятого отбора турбины типа Т-100-130, как правило, применяются менее эффективные решения. Одной из причин, объясняющих отказ от практического применения на электростанциях данного отбора, по-видимому, является практически полное вытеснение атмосферных деаэраторов вакуумными, которое было характерно для схем водоподготовительных установок открытых систем теплоснабжения 70-х годов прошлого века.
В научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» (НИЛ ТЭСУ) Ульяновского государственного технического университета разработана серия технических решений, предусматривающих использование пятого нерегулируемого отбора теплофикационной паровой турбины типа Т-100-130 для экономичного и надежного обеспечения тепловых нагрузок водоподготовительных установок с вакуумными деаэраторами. На примере Ульяновской ТЭЦ-1 (УлТЭЦ-1) показана возможность применения одного из предлагаемых решений в условиях конкретной тепловой электростанции.
Предлагаемые ниже технологии с использованием пятого отбора рассматриваются применительно к турбоустановке с турбиной Т-100-130, однако часть этих решений в той или иной степени может быть применима и на других типах паротурбинных установок, например на турбинах типа Т-50-130, Т-175-130.
Очень часто на ТЭЦ возникают затруднения с организацией технологически необходимого и достаточно экономичного подогрева воды, используемой в качестве греющего агента для вакуумных деаэраторов. Для открытых систем теплоснабжения
можно рекомендовать схему, представленную на рис. 1 [2]. Особенность заключается в применении пятого отбора пара для подогрева греющего агента перед подачей в вакуумный деаэратор подпиточной воды теплосети. Нагрев греющего агента осуществляется в пароводяном подогревателе до необходимой по условиям эффективной деаэрации температуры. Использование предложенной схемы позволяет обеспечить греющей средой водоподготови-тельную установку с расходом подпиточной воды более 2000 т/ч.
весьма экономичным решением является использование пятого отбора в схемах водоподготовительных установок, восполняющих потери пара и конденсата из цикла станции. На промышленно-отопительных ТЭЦ с расходом добавочной питательной воды в пределах нескольких сотен тонн в час целесообразно использовать решение, показанное на рис. 2 [3]. В соответствии с этим решением весь поток деаэрированной добавочной питательной воды после вакуумного деаэратора направляется для дальнейшего подогрева в пароводяной подогреватель, греющей средой в котором служит пар 5-го отбора. Часть воды после пароводяного подогревателя возвращается в вакуумный деаэратор и используется в качестве греющего агента. Разработанное решение целесообразно использовать на электростанциях, где непосредственное применение пара 5-го отбора в качестве греющей среды в вакуумном деаэраторе затруднено по причине значительного удаления последнего от турбоустановки.
Применение пятого отбора пара целесообразно также для схем подогрева исходной подпиточной или добавочной питательной воды перед атмосферными деаэраторами типа ДА [4].
На рис. 3 представлена схема предварительного подогрева исходной воды перед деаэрацией в атмосферном деаэраторе. По этому решению подогрев исходной (подпиточной или добавочной питательной) воды перед атмосферным деаэратором производится в пароводяном подогревателе, подключенном по греющей среде к трубопроводу пятого отбора пара. Следует отметить, что данная разработка использована при модернизации тепловой схемы ВПУ филиала ОАО «Волжская ТГК» «Ульяновская ТЭЦ-1».
Основным преимуществом представленных технологий с использованием пятого отбора теплофикационных паровых турбин типа Т-100-130 является возможность повышения экономичности ТЭЦ за счет несложных изменений в тепловых схемах электростанций, не требующих значительных материальных затрат. Использование этого отбора позволяет значительно снизить расход пара высокопотенциального производственного отбора, применяемого на большинстве ТЭЦ в качестве основного источника греющей среды в тепловых схемах ВПУ. Немаловажным является также то, что экономический эффект достигается без снижения располагаемой надежности и маневренности турбоустановок. По техническим условиям завода-изготовителя допускается дополнительный отбор пара в количестве до 50 т/ч из пятого отбора на ПНД-3 сверх
отбора на этот подогреватель без снижения надежности работы проточной части турбины.
В ряде случаев достаточно эффективным и наименее затратным способом, позволяющим обеспечить экономичный подогрев потоков подпиточной воды теплосети и добавочной питательной воды котлов, является использование подогревателей системы регенерации паровых турбин. Сущность предлагаемых решений заключается в использовании регенеративных подогревателей низкого давления (ПНД), подключенных к седьмому отбору пара теплофикационных турбин. Эта идея реализована в ряде технологий подогрева исходной воды перед химводоочисткой [5, 6].
Как правило, на ТЭЦ с расходом добавочной питательной воды в пределах 400 т/ч для подогрева исходной воды перед обессоливающей установкой применяются водо-водяные теплообменники, использующие в качестве греющей среды конденсат сепараторов непрерывной продувки паровых котлов. Недостатком типовой схемы является низкое качество добавочной питательной воды, возникающее в связи с недогревом исходной воды в водо-водяных теплообменниках, особенно в зимнее время года при снижении температуры воды в естественных водоемах. Исключить сезонное ухудшение качества добавочной питательной воды позволяет решение, представленное на рис. 4 [5], особенностью которого является использование ПНД, подключенного к седьмому отбору пара теплофикационной турбины, в качестве дополнительной ступени подогрева исходной воды перед обессоливающей установкой. Следует отметить, что повышение надежности электростанции достигается при высокой тепловой экономичности, поскольку применяется ближайший к конденсатору низкопотенциальный регенеративный отбор. К преимуществам относится также то, что экономический эффект достигается без снижения надежности работы проточной части турбины, так как при работе турбоагрегата с отопительными отборами расход основного конденсата через трубную часть ближайшего к конденсатору ПНД минимален и его исключение из общей схемы подогрева питательной воды оказывает незначительное влияние на условия работы проточной части турбины и конечную температуру подогрева основного конденсата.
Все представленные выше решения, основанные на максимальном использовании низкопотенциальных регенеративных отборов теплофикационных паровых турбин, позволяют повысить эффективность топливоиспользования на ТЭЦ за счет увеличения доли комбинированной выработки электроэнергии на тепловом потреблении. Проведенные по методике [7] расчеты подтверждают целесообразность использования предложенных решений. Так, для решения, представленного на рис. 1, величина удельной выработки электроэнергии ντψ за счет
пара пятого отбора рассчитывается по формуле
С учетом фактического режима работы УлТЭЦ-1, когда установка подогрева греющего агента вакуумного деаэратора эксплуатируется 214 суток в году (с апреля по октябрь), переход к новой технологии (рис. 1) позволит ежегодно экономить более 3,0 тыс. τ условного топлива для ВПУ производительностью 2000 т/ч.
Величина годовой экономии условного топлива для технологии, предусматривающей использование пара пятого отбора для подогрева добавочной питательной воды после вакуумного деаэратора (рис. 2), составляет 7900 τ в расчете на ВПУ производительностью 400 т/ч.
Ощутимый выигрыш в тепловой экономичности позволяет получить переход к схеме, предусматривающей подогрев исходной подпиточной или добавочной питательной воды паром пятого отбора перед атмосферным деаэратором. Так, для водоподготовительной установки (рис. 3) с расходом добавочной питательной воды 400 т/ч годовая экономия составляет 4450 т условного топлива. Выше было отмечено, что предложенная технология использована при модернизации тепловой схемы ВПУ Ульяновской ТЭЦ-1. Применительно к реальным условиям работы УлТЭЦ-1 годовой экономический эффект от использования новой технологии составляет более 1800 τ условного топлива. С учетом стоимости топлива 2000 руб./т и затрат на внедрение 600 тыс. руб. экономия в денежном выражении составляет 3,0 млн руб., а срок окупаемости не превышает нескольких месяцев.
Величина удельной выработки электроэнергии ντφ при использовании выделенного ПНД (рис. 4)
увеличивается на 9 кВт-ч на каждую тонну нагреваемой воды в сравнении со схемой, где греющей средой служит пар производственного отбора.
Приведенные показатели тепловой экономичности убедительно доказывают эффективность низкопотенциальных регенеративных отборов турбин ТЭЦ, рациональное использование которых позволяет реализовать значительные резервы энергоэффективности на большинстве отечественных тепловых электростанциях.
Следует также отметить, что авторами помимо представленных решений разработаны технологии [8], позволяющие повысить эффективность комбинированных циклов, реализуемых путем реконструкции ТЭЦ с использованием парогазовых установок сбросного типа. Как правило, в установках такого типа система регенерации паротурбинной установки практически полностью вытесняется газоводяными подогревателями, установленными в конвективной части парового котла. Использование газоводяных подогревателей, обусловленное необходимостью утилизации избыточной теплоты выхлопных газов газовой турбины, существенно снижает долю вырабатываемой паровой турбиной электрической энергии на внутреннем тепловом потреблении. Особенностью новых технологий для ПГУ сбросного типа является создание условий для сохранения системы регенерации теплофикационных паровых турбин, входящих в состав парогазовых установок.
1. Значительные резервы тепловой экономичности могут быть реализованы на большинстве отечественных ТЭЦ за счет увеличения комбинированной выработки электроэнергии теплофикационными паровыми турбинами при использовании для этой цели низкопотенциальных регенеративных отборов.
2. Максимально повысить эффективность регенерации, надежность и экономичность водоподготовки позволяют новые решения с использованием низкопотенциального пятого отбора и подогревателей системы регенерации низкого давления теплофикационных паровых турбин.
3. На ТЭЦ, реконструируемых по схемам парогазовых технологий со сбросом газов в котел, подогреватели системы регенерации паросиловых установок которых вытеснены газоводяными подогревателями, имеются дополнительные возможности для совершенствования комбинированного цикла, связанные с более полным использованием регенеративных отборов теплофикационных паровых турбин.
4. Использование предложенных решений, особенностью которых является создание условий для максимального использования высокоэкономичных регенеративных отборов теплофикационных паровых турбин, позволяет добиться наибольшей эффективности ПГУ.
1. Теплофикационные паровые турбины / Е.И. Бе-ненсон, Л.С. Иоффе; под ред. Д.П. Бузина. М.: Энергия, 1976.264 с.
2. Патент 2275509. Способ работы тепловой электрической станции / М.М. Замалеев, Е.В. Макарова, Д.В. Цюра, В.И. Шарапов // Бюл. изобретений. 2006. №12.
3. Патент 2278982. Способ работы тепловой электрической станции/ М.М. Замалеев, Е.В. Макарова, Д.В. Цюра, В.И. Шарапов // Бюл. изобретений. 2006. №18.
4. Патент 2293852. Способ работы тепловой электрической станции/ М.М. Замалеев, Е.В. Макарова, В.И. Шарапов // Бюл. изобретений. 2007. №5.
5. Патент 2269654. Способ работы тепловой электрической станции/ В.И. Шарапов, М.М. Замалеев, Е.В. Макарова// Бюл. изобретений. 2006. №4.
6. Патент 2269010. Способ работы тепловой электрической станции/ М.М. Замалеев, В.И. Шарапов, Е.В. Макарова// Бюллетень изобретений. 2006. №3.
7. Шарапов В.И., Пазушкин П.Б., Цюра Д.В., Макарова Е.В. Методика расчета энергетической эффективности технологий подготовки воды на тепловых электростанциях // Проблемы энергетики. Известия вузов. 2002. № 7-8. С. 22-35.
8. Шарапов В.И., Замалеев М.М. Повышение эффективности систем регенерации турбин ТЭЦ / Ульяновск: УлГТУ, 2009. 289 с.
Источник
