RACJONALIZACJA PRACY BLOKU GAZOWO-PAROWEGO W LOKALNYM SYSTEMIE CIEPŁOWNICZYM

Transkrypt

1 RACJONALIZACJA PRACY BLOKU GAZOWO-PAROWEGO W LOKALNYM SYSTEMIE CIEPŁOWNICZYM Autor: Zbigniew Połecki ( Rynek Energii 10/2009) Słowa kluczowe: blok gazowo-parowy, system ciepłowniczy, świadectwa pochodzenia Streszczenie. Dla oceny moŝliwości wykorzystania jednostek wytwórczych, pracujących w skojarzeniu, dla pokrycia zapotrzebowania na ciepło w systemie ciepłowniczym nie wystarczają dane znamionowe lub gwarantowane urządzeń energetycznych. Niezbędne są charakterystyki energetyczne urządzeń dające moŝliwość oceny zuŝycia energii chemicznej paliwa w funkcji ich obciąŝenia. W przypadku bloków gazowo-parowych problem jest bardziej złoŝony, gdyŝ ten sam efekt końcowy produkcję ciepła moŝna uzyskać przy wykorzystaniu zarówno regulacji bloku gazowego, jak i upustowokondensacyjnej turbiny parowej. Głównym kryterium optymalizacji jest uzyskanie jak największej sprawności ogólnej układu i wskaźnika PES przekraczającego wartość 10%, niezbędnych dla uzyskania świadectw pochodzenia, determinujących efekt ekonomiczny inwestycji. 1. OBIEKT BADAŃ Analizie poddano układ gazowo-parowy pracujący w Elektrociepłowni Starachowice i PEC Bugaj. Elektrociepłownia ta pracowała w latach , lecz wskutek braku w ówczesnych przepisach mechanizmów wsparcia dla bloków gazowych jej praca została wstrzymana, a instalacja nie została później uruchomiona. W skład układu (rys.3) wchodzą dwie turbiny gazowe typu Solar Titan 130 (T S) produkcji Solar Turbines Inc. (San Diego, USA) zasilane gazem ziemnym. Turbiny wyposaŝone są w pierścieniową komorę spalania z 14 palnikami SoLoNOx, 14 stopniowy, osiowy kompresor, a turbina jest reakcyjna osiowa 3-stopniowa. Stopień spręŝania wynosi 16:1, a parametry znamionowe: - prędkość obrotowa /s, - nominalna moc na wale kw, - moc w paliwie kj/s, - temperatura gazów wylotowych 487 C, - przepływ masowy spalin 49,7 kg/s. Rysunek 1 przedstawia wpływ temperatury zewnętrznej na moc bloku gazowego i jednostkowe zuŝycie ciepła w paliwie (HR). Moc elektryczna brutto, kw Jednostkowe zuŝycie ciepła w paliwie, kj/kwh Temperatura zewnętrzna Rys. 1. Wpływ temperatury zewnętrznej na moc i jednostkowe zuŝycie ciepła w paliwie turbiny gazowej

2 Turbiny współpracują z odzysknicowymi, parowymi kotłami typu poziomego. Są one jednociśnieniowe z obiegiem naturalnym. Dodatkowo są one wyposaŝone w wymiennik ciepłowniczy (na gorącą wodę) ECO. Producentem kotłów jest SES Tlmace (Słowacja), a charakteryzują się one następującymi parametrami: - przepływ pary świeŝej 5 kg/s, - temperatura pary świeŝej 435 C, - ciśnienie pary świeŝej 35,2 bar(g), - temperatura wody zasilającej 105 C, - ciśnienie grzejnika ECO 16 bar(g), - temperatura wymiennika ECO 250 C, - moc termiczna wymiennika ECO 6 MW Moc na wale turbiny, MW 0 t/h 10 t/h 20 t/h 6 30 t/h 5 30 t/h t/h t/h Strumień pary z upustu ciepłowniczego 0 0 t/h Strumień pary świeŝej, t/h Rys. 2. Charakterystyka regulacyjna turbiny M4 Para kierowana jest do czternastostopniowej, reakcyjnej turbiny upustowo-kondensacyjnej (charakterystyka rys. 2) typu M4, produkcji B&V-Industrietechnik o następujących danych znamionowych: - moc znamionowa na wale kw, - prędkość projektowa obr./min, - ciśnienie pary roboczej 36 bar, - temperatura pary roboczej 435 C, - przepływ pary roboczej 35,100 t/h, - ciśnienie skraplania 0,098 bar. 2. CHARAKTERYSTYKA UKŁADU GAZOWO-PAROWEGO W oparciu o udostępnione historyczne dane eksploatacyjne układu elektrociepłowni oraz dane znamionowe i gwarantowane określone przez producenta turbin moŝna było stworzyć model współpracy turbozespołów gazowych, kotłów odzysknicowych, wymienników ECO i turbiny parowej dla pokrycia zapotrzebowania na ciepło w miejskim układzie ciepłowniczym. Dla analiz wykorzystano dane z systemu ciepłowniczego PE Siedlce Sp. z o.o. W symulacji uwzględnione zostały oprócz obciąŝenia cieplnego i temperatury powietrza ciśnienie atmosferyczne. Ze względu na najmniejszy wpływ na parametry turbin gazowych w badaniach pominięto wpływ wilgotności powietrza.

3 Rys. 3. Układ pracy bloku gazowo-parowego EC Starachowice i PEC Bugaj W pierwszej kolejności dokonano analizy sprawności turbiny parowej, która w układzie starachowickim nie pracowała w optymalnych warunkach. Wyniki tej analizy pokazuje tab. 1. Niskie wartości sprawności wewnętrznej części niskopręŝnej w przypadku wyników ze stycznia 2006 r. spowodowane są maksymalnym wykorzystaniem wymiennika ciepłowniczego i pracą w tym okresie (z powodu awarii) jednej turbiny gazowej. Z analizy pracy układu dla potrzeb systemu ciepłowniczego wynikać moŝe potrzeba modernizacji turbiny parowej, tak by pracowała ona jako upustowoprzeciwpręŝna. Działanie takie podniesie sprawność ogólną obiegu lecz skróci znacznie roczny czas jej pracy. Tab. 2 przedstawia średniomiesięczne wartości sprawności ogólnej układu, a tab. 3 wyniki przeprowadzonej symulacji pracy układu po modernizacji turbiny parowej. 3. MODELOWANIE PRACY BLOKU GAZOWO-PAROWEGO W SYSTEMIE CIEPŁOWNICZYM W oparciu o dane wejściowe opracowano model bloku gazowo-parowego dający moŝliwość badań jego zachowań dla danego wykresu obciąŝeń cieplnych. W modelu uwzględniono wpływ temperatury i ciśnienia na moc bloku gazowego. W badaniach nie uwzględniono wpływu wilgotności i zmian sprawności spręŝarki spowodowany jej zabrudzeniem. Model dodatkowo uwzględnia wpływ temperatury zewnętrznej na straty kominowe, strumień ciepła w wymienniku ECO, strumienie pary do odgazowywacza i skraplacza. W wyniku analiz sprawności turbin gazowych i układu parowego do ostatecznej oceny zaproponowano dwa warianty pracy układu.

4 Wariant I W wariancie tym załoŝono pracę dwóch turbin gazowych z mocą znamionową wraz z turbiną parową przy zachowaniu najwyŝszej sprawności ogólnej obiektu. Wariant zakłada pełne obciąŝenie cieplne wymiennika 22MW. Roczny czas pracy dwóch turbozespołów gazowych wyniósł 4697 godzin. Po ww. czasie zostaje odstawiona jedna z turbin gazowych, a pozostająca w pracy obciąŝona jest mocą znamionową, do wymiennika 22MW doprowadzana jest maksymalna ilość pary z upustu turbiny parowej. Czas pracy turbiny z pełną mocą, wyznaczony w badaniach, wynosi 1328 godzin. Roczna produkcja energii elektrycznej (na zaciskach generatora) wynosi: - w turbozespołach gazowych ,76 GWh, - w turbinie parowej ,79 GWh, - łącznie ,55 GWh. Roczna produkcja ciepła wynosi: - w wymienniku 22MW ,90 GJ, - w wymiennikach ECO ,47 GJ, - w kotłach węglowych ,71 GJ, - łącznie ,08 GJ. ZuŜycie energii chemicznej paliwa, w wariacie tym, wynosi ,37 MWh ( ,72 GJ), co odpowiada rocznemu zuŝyciu gazu na poziomie ,26 m 3 gazu ziemnego GZ50. ogólna wyznaczona w wariancie I waha się od 70,07% do 79,25% uzyskując wartość średnioroczną (w rozumieniu rozporządzenia Ministra Gospodarki z dn. 26 września 2007 r.) na poziomie 76,33%. Wariant II W wariancie tym załoŝono pracę dwóch turbin gazowych z mocą znamionową wraz z turbiną parową przy zachowaniu najwyŝszej sprawności ogólnej obiektu. Wariant zakłada pełne obciąŝenie cieplne wymiennika 22MW. Roczny czas pracy dwóch turbozespołów gazowych wyniósł, tak jak w wariancie I, 4697 godzin. Po tym czasie zostaje zmieniana moc cieplna poprzez regulację ilości pary pobieranej z upustu do wymiennika 22MW. Skutkuje to zwiększeniem mocy bloku parowego. Jednocześnie zało- Ŝono pełne obciąŝenie wymienników przykotłowych. Całkowity roczny czas pracy turbiny z pełną mocą tych wymienników wynosi 8750 godzin. Roczna produkcja energii elektrycznej (na zaciskach generatora) wynosi: - w turbozespołach gazowych ,06 GWh, - w turbinie parowej ,96 GWh, - łącznie ,03 GWh. Roczna produkcja ciepła wynosi: - w wymienniku 22MW ,20 GJ,

5 - w wymiennikach ECO ,77 GJ, - w kotłach węglowych ,11 GJ, - łącznie ,08 GJ. ZuŜycie energii chemicznej paliwa, w wariacie tym, wynosi ,63 MWh ( ,68 GJ), co odpowiada rocznemu zuŝyciu gazu na poziomie ,16 m 3 gazu ziemnego GZ50 ogólna wyznaczona w wariancie II waha się od 45,95% do 79,25% uzyskując wartość średnioroczną (w rozumieniu ww. rozporządzenia) na poziomie 69,64%. Wyniki symulacji na uporządkowanym wykresie zapotrzebowania na ciepło, dla wariantu I przedstawia rys. 4, a dla wariantu II rys. 5. Rys. 5 i 6 pokazuje zmianę sprawności Tabela 1 wewnętrzna i termodynamiczna turbiny upustowo-kondensacyjnej M4 Przypadek Lato 2006 Jesień 2005 Zima 2006 Moc TP, MW 2,840 7,700 1,850 Temperatura, o C 462, , ,000 Ciśnienie, MPa 3,190 3,200 3,180 Entalpia i 0, kj/kg 3 370, , ,390 Ciśnienie pary z upustu, MPa 0,250 0,300 0,250 Temperatura, o C 238, , ,000 Entalpia i u, kj/kg 2 945, , ,440 Entalpia i us, kj/kg 2 732, , ,050 Ciśnienie pary wylotowej, MPa 0,020 0,015 0,019 Temperatura, o C 80,000 46, ,000 Entalpia i 2, kj/kg 2 645, , ,220 Entalpia i 2s, kj/kg 2 492, , ,500 wewnętrzna części wysokopręŝnej 0,666 0,739 0,653 wewnętrzna części niskopręŝnej 0,663 0,672 0,369 termodynamiczna 0,235 0,255 0,171 Strumień ciepła, GJ Pozostałe źródła Strumień ciepła - wymiennik para-woda Strumień ciepła - wymienniku kotłowym ECO Rys. 4. Wariant I praca bloku gazowo-parowego z mocą znamionową (dla kryterium największej sprawności)

6 Tabela 2 Wyniki analizy produkcji elektrociepłowni starachowickiej Miesiąc I II III IV V VI VII Śred. temp. zewnętrzne C -8,6-3,1-0,3 8,6 13,0 16,9 21,8 Produkcja ciepła Kocioł parowy GJ Kocioł wodny GJ EC Potrzeby własne GJ P GJ W GJ SprzedaŜ ciepła GJ Turbina Gazowa 1 EC MWh 0,000 0,000 0, , , , ,587 Turbina Gazowa 2 EC MWh , , , , , ,568 9,828 Silnik gazowy EC MWh 0,000 0,000 10,392 12,613 0,000 0,000 0,000 Produkcja energii elektrycznej MWh , , , , , , ,415 EC MWh , , , , , , ,970 SprzedaŜ en. elektrycznej MWh , , , , , , ,970 ZuŜycie en. elektrycznej MWh 158, , , , , ,933 35,908 Turbiny gazowe EC m ZuŜycie gazu m Wartość opałowa kj/m Średniomiesięczna sprawność ogólna 0, , , , , , , Tabela 3 ogólna bloku gazowo-parowego po modernizacji turbiny parowej przy maksymalnej mocy turbin gazowych Temperatura powietrza Moc wewnętrzna Moc na zaciskach generatora turbiny parowej Moc turbin gazowych Strumień ciepła w paliwie Strumień ciepła ogólna ogólna po modernizacji C kw kw kw kw kw ,1 5015, , , ,37 0, , ,7 5020, , , ,87 0, , ,5 6322, , , ,75 0, , ,7 7759,1 7439, , , ,03 0, , ,5 8439,5 8091, , , ,36 0, , ,3 8598,8 8531, , , ,99 0, , ,1 8298, , , ,74 0, , ,2 8594,2 8218, , , ,16 0, , ,1 8134, , , ,23 0, ,

7 Strumień ciepła, GJ Pozostałe źródła Strumień ciepła - wymiennik para-woda Strumień ciepła - wymienniku kotłowym ECO Rys. 5. Wariant II praca bloku gazowo-parowego z regulowaną mocą cieplną 0,82 ogólna 0,8 0,78 0,76 0,74 0,72 0,7 0, Rys. 6. ogólna układu w wariancie I przy stałym obciąŝeniu cieplnym 0,8 ogólna 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0, Rys.7. układu w wariancie II przy zmiennym obciąŝeniu cieplnym 4. PODSUMOWANIE Na podstawie analizy danych i przeprowadzonych symulacji moŝna stwierdzić, Ŝe moŝliwość zmiany turbiny z upustowo-kondensacyjnej na upustowo-przeciwpręŝną moŝe podnieść sprawność obiegu, lecz ze względu na krótki sezon grzewczy nie będzie działaniem w pełni uzasadnionym Przykładowo dla dwóch turbin gazowych pracujących z pełną mocą cieplną wymiennika 22 MW sprawność zwiększy się o 2,3%, ale roczny czas pracy zespołu i produkcja energii elektrycznej zmniejsza się odpowiednio o 170

8 godzin, co oznacza utratę produkcji o 4 663,76 MWh dla turbin gazowych i 877,48 MWh dla turbiny parowej. Zwiększeniu ulega produkcja ciepła o ,44 GJ, a zuŝycie ciepła w paliwie maleje o ,60 GJ. największa najmniejsz a średnia Stan obecny Stan po modernizac ji 79,25% 81,58% 75,95% 78,45% 77,50% 79,89% Wyznaczony dla wariantu I współczynnik PES ma wartość 16%, co oznacza, Ŝe produkcja energii odbywa się w wysokosprawnej kogeneracji. W wariancie II współczynnik PES ma wartość 9,4%. Oznacza to, Ŝe produkcja nie będzie zaliczona do wysokosprawnej kogeneracji i w związku z tym naleŝałoby skrócić czas pracy bloku do około 7500 godzin w roku. LITERATURA [1] Jasiński P., Kaproń H.: Optymalizacja pracy elektrociepłowni w warunkach ograniczonej konkurencji. Rynek Energii 2008, nr 2 (75). [2] Kotowicz J.: Elektrownie gazowo-parowe. Wydawnictwo Kaprint, Lublin [3] Kotowicz J., Bartela Ł.: Optymalizacja termodynamiczna i ekonomiczna elektrowni gazowoparowej z wykorzystaniem algorytmów genetycznych. Rynek Energii 2008, nr 2(75). RATIONALIZATION OF STEAM-GAS UNIT IN LOCAL HEATING SYSTEM OPERATION Key words: steam-gas unit, local heating system, certificates of energy origin Summary. It is insufficient to use exclusively nominal or guarantied data of energy facilities in order to asses the possibility to use power cogeneration units for covering heating demand in district heating system. Performance characteristic of energy facilities are necessary to asses the use of chemical energy in load function. The problem is even greater in case of steamgas units as same results heating generation- may be archived by using gas unit as well as extraction-condensation steam turbine regulation. Main optimization criterion is to archive best possible overall system efficiency and PES index exceeding 10% in order to obtain necessary certificates of energy origin which determine economic performance of the investment. Zbigniew Połecki, dr inŝ. Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Zakład Elektrowni i Gospodarki Energetycznej, LUBLIN, ul. Nadbystrzycka 44, tel./fax: (+48) , archer@elektron.pol.lublin.pl