MODERNIZACJA ELEKTROCIEPŁOWNI PRZY DUŻYM ZUŻYCIU ELEMENTÓW KOTŁÓW I TURBIN PAROWYCH

Transkrypt

1 Kogeneracja w energeyce przemysłowej i komunalnej Tadeusz J. CHMIELIAK Gerard KOSMA Wojciech KOSMA Insyu Maszyn i Urządzeń Energeycznych Poliechnika Śląska, Gliwice Gliwice, ul. Konarskiego 18 el.: , fax: chmielniak@rie5.ise.polsl.gliwice.pl MODERIZACJA ELEKTROCIEPŁOWI PRZY DUŻYM ZUŻYCIU ELEMETÓW KOTŁÓW I TURI PAROWYCH MODERIZATIO OF COMIED HEAT AD POWER PLAT WITH HIGH WEAR OF COAL FIRED OILERS AD STEAM TURIES Sreszczenie. W pracy przedsawiono projek modernizacji elekrociepłowni z kołami i urbinami parowymi przez dosawienie urbiny gazowej. Porównano różne konfiguracje echnologiczne z urbiną gazową, przewidywane do zasąpienia części insalacji węglowej z wyeksploaowanymi urządzeniami. W analizie ermodynamicznej do porównania rozparywanych układów zasosowano meodę enalpową i enropową. Summary. The projec of rerofiing a coal fired cogeneraion plan by insallaion of gas urbine module is presened in he paper. Differen plan configuraions are proposed, analysed and compared. Thermodynamic analysis of proposed soluions is being performed wih using enhalpy as well as enropy based mehods. 1. Wprowadzenie Jednym z kierunków modernizacji isniejących konwencjonalnych elekrociepłowni opalanych węglem jes zainsalowanie urbiny gazowej i koła odzyskowego. Decydują o ym korzysne charakerysyki ermodynamiczne, ekonomiczne i ekologiczne układów gazowych. Częso jes ak, że człon gazowy zasępuje część insalacji węglowej. Takie rozwiązanie jes sosowane do modernizacji elekrociepłowni z wyeksploaowanymi urządzeniami, zn. w warunkach dużego zużycia eksploaacyjnego głównych elemenów isniejących kołów i urbin parowych. Rozparzmy dla przykładu elekrociepłownię przedsawioną w sposób uproszczony na rys 1. Elekrociepłownia pracuje w układzie kolekorowym. Dwa koły OP-12 (oznaczenie K-1 i K-2 na rys.1), kocioł PO-14 (K-4) oraz kocioł OP-23 (K-5) mogą łącznie wyprodukować 61 /h pary o paramerach nominalnych 8.9 MPa i 5 o C. Zbiorcze wyniki bilansu elekrociepłowni dla sanu isniejącego podano w abeli 1. Turbiny TG-3 i TG-4 pracują z mocą maksymalną. Srumienie pary świeżej są równe warościom maksymalnym 19 i 18 /h. Ponieważ łączny srumień pary świeżej jes równy 61 /h do urbin TG-1 i TG-2 można doprowadzić po 12 /h pary. Insyu Techniki Cieplnej Poliechnika Śląska w Gliwicach 51

2 Chmielniak T.J., Kosman G., Kosman W.: Modernizacja elekrociepłowni przy dużym zużyciu... ilans masowy i cieplny EC dla sanu obecnego Srumień pary Moc elekryczna Srumień pary Ciepło świeżej [/h] [MW] upusowej [/h] [MW] TG TG TG TG Tabela 1 Turbiny TG-1 i TG-2 (na rys. 1 oznaczone jako TG-1,2) są urbinami kondensacyjnoupusowymi o mocy nominalnej 24 MW. Są o maszyny osiowe, akcyjno-reakcyjne, dwukadłubowe z jednosrumieniową częścią P. Każda urbina posiada 5 nieregulowanych upusów pary dla regeneracji. Z wylou części WP urbiny wyprowadzono upus regulowany pary do wymienników echnologicznych. Para pobierana z upusu regulowanego urbin TG-1 i TG-2 jes kierowana do kolekora niskiego ciśnienia. Turbina TG-4 jes maszyną akcyjną, jednokadłubową, przeciwprężną. Turbina posiada 3 upusy nieregulowane do podgrzewania wody zasilającej. Para wyloowa z urbiny kierowana jes do wymiennika ciepłowniczego oraz odgazowywacza. K-1 K-2 K-4 K-5 kolekor WPr TG-1,2 TG-3 TG-4 Reg WP Reg P Reg WP A A A Reg WP kolekor P Odg 15 A A Odg 15 Odg Rys. 1. Uproszczony schema cieplny EC - san wyjściowy Cenrum Doskonałości OPTI_Energy

3 Kogeneracja w energeyce przemysłowej i komunalnej 2. Założenia i sformułowanie problemu modernizacji EC a). Przedmioem rozważań jes modernizacja isniejącej EC. Pracujące w EC maszyny i urządzenia są w znacznej mierze wyeksploaowane. Przeprowadzona ocena sanu echnicznego kołów i urbin parowych wykazała duży sopień zużycia eksploaacyjnego głównych elemenów. W przypadku urbin są o: wirniki, kadłuby i zawory. b). Celem modernizacji EC jes: - zaspokojenie porzeb w zakresie zaporzebowania na ciepło, - poprawa efekywności pracy (obniżenie koszów produkcji energii elekrycznej i ciepła), - spełnienie kryeriów ekologicznych (spełnienie obowiązujących norm ochrony środowiska i ograniczenia uciążliwości EC dla ooczenia), - zapewnienie zakładanego (oczekiwanego) czasu dalszej bezpiecznej pracy maszyn i urządzeń. c). Proponowanym kierunkiem modernizacji echnologicznej EC jes zainsalowanie urbiny gazowej i koła odzyskowego do isniejącego układu parowego z urbinami ciepłowniczymi. Człon gazowy zasąpi cześć insalacji węglowej z wyeksploaowanymi urządzeniami. d). Przyjmuje się założenie o maksymalnie możliwym wykorzysaniu isniejących modułów modernizowanej elekrociepłowni (maszyn, urządzeń i aparaury). Proponuje się wykorzysać e moduły echnologiczne, kóre spełniają przyjęe kryerium rwałości (zapewniają założony czas dalszej eksploaacji). e). Elekrociepłownia powinna spełnić nasępujące zaporzebowanie na ciepło (zakładany san perspekywiczny): - w ciepłej wodzie 17 MW - w parze echnologicznej 8 MW f). Rozważane są rzy wariany dalszej eksploaacji EC. W kolejnych warianach modernizacji oczekiwany czas pracy ( o ) jes odpowiednio równy: a. 8 godzin, b. 11 godzin, c. 15 godzin. g). Punkem wyjścia do opracowania szczegółowych założeń modernizacyjnych jes znajomość wyjściowego sanu echnicznego rozparywanego układu. W przypadku analizowanej elekrociepłowni san en opisują: - sprawność całego układu i poszczególnych jego części, - sopień spełnienia kryeriów ochrony środowiska, - sopień zużycia eksploaacyjnego głównych elemenów i związany z ym pozosały czas pracy elemenów ( pi ) i całej maszyny ( p ). h). Pozosały czas pracy p kołów i urbin należy porównać warością oczekiwaną o. Jeżeli oszacowany czas dalszej eksploaacji jes mniejszy od oczekiwań użykownika należy: - wymienić całą maszynę, - wymienić elemen (elemeny), - podjąć działania zmierzające do zmniejszenia empa zużycia eksploaacyjnego elemenów. W przeprowadzonych badaniach uwzględniono dwa podsawowe procesy zużycia eksploaacyjnego elemenów: pełzanie maeriału w czasie pracy usalonej oraz zmęczenie Insyu Techniki Cieplnej Poliechnika Śląska w Gliwicach 53

4 Chmielniak T.J., Kosman G., Kosman W.: Modernizacja elekrociepłowni przy dużym zużyciu... niskocykliczne w czasie zmian obciążenia. Wydłużenie czasu pracy koła lub urbiny można uzyskać poprzez zmniejszenie empa zużycia zmęczeniowego lub pełzaniowego. 3. Prognozowanie pozosałego czasu pracy urbin 3.1. Przyjęe zasady oceny sanu wyjściowego elemenów urbin [3,6] Podsawową wielkością opisującą doychczasowe, usalone warunki pracy koła lub urbiny jes doychczasowy czas pracy ( d ). Jeżeli w czasie pracy usalonej można wyróżnić kilka poziomów emperaury pary świeżej, o n d di gdzie: di - doychczasowy czas pracy elemenu przy emperaurze T i, i 1 ajczęściej nie znamy przebiegu czasowego emperaury pary świeżej przed urbiną w czasie pracy usalonej w całym okresie doychczasowej eksploaacji. Urudnia o podział czasu d na odcinki di. W związku z powyższym przyjmujemy, że w czasie d elemen pracował w sałej emperaurze równej emperaurze nominalnej T d T i dla akich warunków liczymy doychczasowe zużycie pełzaniowe Z (1) d Z (2) gdzie: σ c - maksymalne naprężenie wyznaczone z uwzględnieniem pełzania maeriału, - maksymalny czas pracy przy danym naprężeniu σ c i emperaurze T, określny na podsawie charakerysyki pełzania f(t,σ c ) Jeżeli w czasie pracy usalonej można wyróżnić kilka poziomów emperaury i naprężeń, o zużycie od pełzania, zgodnie z regułą liniowej kumulacji uszkodzeń podlega zsumowaniu. Podsawową wielkością opisującą doychczasowe warunki uruchamiania urbiny jes doychczasowa liczba rozruchów ( d ). ardzo ważną informacją jes podział całkowiej liczby rozruchów na rozruchy ze sanu: - zimnego - d,z - ciepłego - d,c - gorącego - d,g Do każdej wyróżnionej grupy rozruchów wyznaczenia się ekwiwalenne naprężenie maksymalne σ max i ekwiwalenną ampliudę naprężeń σ dla całego cyklu zmian obciążenia. Doychczasowe zużycie zmęczeniowe Z jes równe: 54 Z di (3) i Ai gdzie: A - liczba cykli do pojawienia się pierwszych pęknięć, wynikająca z charakerysyki zmęczeniowej maeriału A f( σ). Cenrum Doskonałości OPTI_Energy

5 Kogeneracja w energeyce przemysłowej i komunalnej Całkowie doychczasowe (akualne, wyjściowe) zużycie elemenu Z o jes sumą zużycia pełzaniowego i zmęczeniowego d di Z + i z,c, g (4) i Ai Określenie łącznego zużycia wywołanego zmęczeniem oraz pełzaniem pozwala ocenić obliczeniowy sopień uray rwałości, a nasępnie wyznaczyć pozosały czas pracy urbiny Pozosały czas pracy elemenów urbin Problem prognozowania pozosałego czasu pracy elemenów urbin rozparywano bardzo szczegółowo w pracach [3-6]. a podsawie reguły liniowej kumulacji uszkodzeń, całkowie zużycie elemenu Z c można przedsawić w posaci sumy akualnego (doychczasowego) sopnia zużycia Z oraz zużycie pozosałego (przyszłego) Z p gdzie: Z p, - pozosałe (przyszłe) zużycie pełzaniowe Zc Z o + Zp Z o + Z p + Z p (5) p Z p (6) Z p, - pozosałe (przyszłe) zużycie zmęczeniowe Z p pi i z,c,g (7) i Ai p - pozosały czas pracy elemenu, pi (i z,c,g) - pozosała liczba rozruchów ze sanu zimnego, ciepłego i gorącego. Pozosały czas pracy elemenu p można wyznaczyć z warunku gdzie: Z g - zużycie graniczne. Z c Z g (8) Zależność (8) dla Z g 1 i uwzględnieniu (5) - (7) przyjmuje posać sąd mamy p pi + 1 Z z,c, g i Ai i (9) pi p 1 Z i z,c, g (1) i Ai 3.3. Pozosały czas pracy elemenów urbin TG-1 TG-4 Doychczasowy czas pracy urbin jes odpowiednio równy: TG-1 - d 17 h TG-3 - d 155 h TG-2 - d 19 h TG-4 - d 115 h Insyu Techniki Cieplnej Poliechnika Śląska w Gliwicach 55

6 Chmielniak T.J., Kosman G., Kosman W.: Modernizacja elekrociepłowni przy dużym zużyciu... Przykładowe wyniki obliczeń sopnia zużycia eksploaacyjnego i pozosałego czasu pracy dla kilku wybranych elemenów podano w abeli 2. Rozparywano 5 elemenów o różniących się sopniach zużyciach. Sopień zużycia elemenów obliczono z wzoru (4), a pozosały czas pracy obliczony z formuły (1). Tabela 2 Sopień zużycia i pozosały czas pracy wybranych elemenów Turbina TG-4 TG-1 TG-2 Elemen A C D E Z o, [%] p, h Wśród analizowanych elemenów największe zużycie i zarazem najmniejszy pozosały czas pracy wykazuje wirnik urbiny TG-2 (Z o 68 %). ie analizowano sopni zużycia elemenów urbiny TG-3 ponieważ wykonane badania nieniszczące wykazały uszkodzenie wirnika w posaci licznych pęknięć w okolicy dławnicy przedniej, kóre kwalifikują en elemen do wymiany [2]. 4. Opis I warianu modernizacji EC W pierwszym wariancie modernizacji (punk 2.f) przyjęo, że oczekiwany czas dalszej eksploaacji EC jes równy o 8 godzin. Wyniki przeprowadzonej oceny akualnego sanu echnicznego isniejących kołów i urbin określają nowy schema cieplny isniejącego układu parowego. Maszyny i urządzenia, kóre nie spełniają przyjęych kryeriów zosają wycofane z dalszej eksploaacji Układ EC po wycofaniu wyeksploaowanych urządzeń Ze względu na san echniczny niemożliwa jes dalsza eksploaacja nasępujących urządzeń bądź ich elemenów: kołów parowych K-1 oraz K-2, urbiny przeciwprężnej TG-3, regeneracji wysokoprężnej urbiny TG-4. Koły K-1 i K-2 należy wycofać z dalszej eksploaacji ze względu na kryeria ekologiczne. Koły K-3 i K-5 spełniają przyjęe normy ochrony środowiska i mogą być dalej eksploaowane. Akualny san echniczny elemenów ciśnieniowych również zezwala na ich dalszą pracę. Proponuje się wycofać z eksploaacji urbinę przeciwprężną TG-3 ze względu na konieczność wymiany wirnika (punk 3.3). Proponuje się wyłączyć z eksploaacji regenerację WP urbiny TG-4. adania cieplne urbiny TG-4 wykazały złą pracę regeneracji WP. Paramery pary w upusach są źle dobrane. Ciśnienie jes za wysokie. Konieczny byłby również remon kapialny wymiennika. Ponieważ wymienniki regeneracji WP urbin TG-1 i TG-2 mogą podgrzewać więcej wody zasilającej uznano, że dalsza eksploaacja regeneracji WP urbiny TG-4 jes niecelowa. W en sposób usalono wyjściową konfigurację sysemu pokazaną na rysunku 2. Wyeksploaowane urządzenia i elemeny zosały wycofane. Tak opisany układ nie spełnia zaporzebowania na ciepło (punk 2.e). Po wycofaniu z eksploaacji kołów K-1 i K-2 srumień pary świeżej jes niewysarczający. 56 Cenrum Doskonałości OPTI_Energy

7 Kogeneracja w energeyce przemysłowej i komunalnej K-4 K-5 TG-1,2 TG-4 A Reg WP Reg P Odg 15 A A Odg 15 Rys. 2. Układ wyjściowy EC po wycofaniu wyeksploaowanych urządzeń 4.2. Opcje modernizacyjne Dosawienie urbiny gazowej do układu parowego (rys. 2) można zrealizować w różny sposób. Można rozparywać szereg warianów różniących się sopniem modyfikacji części parowej i budową koła odzyskowego. ajprosszy sposób dosawienia członu gazowego (rysunek 3, pokazano ylko zmodyfikowaną część sysemu) nie zmienia układu parowego. Turbina gazowa i kocioł odzyskowy zosały dosawione do isniejącego układu parowego w en sposób, że kocioł odzyskowy produkuje ylko parę świeżą (uzupełnia brak pary świeżej spowodowany wycofaniem dwóch kołów parowych). Parę do kolekora niskoprężnego redukuje się w isniejącej sacji redukcyjno-schładzającej. Jes o układ mało efekywny. Jedyną jego zaleą jes prosa konsrukcja koła odzyskowego. para WP K-4 K-5 Rys. 3. Opcja wsępna modernizacji EC Insyu Techniki Cieplnej Poliechnika Śląska w Gliwicach 57

8 Chmielniak T.J., Kosman G., Kosman W.: Modernizacja elekrociepłowni przy dużym zużyciu... Opcja proponowana do zasosowania w elekrociepłowni (rys. 4) wymaga zmian części parowej. Regeneracja wysoko- i niskoprężna urbin upusowo-kondensacyjnych TG-1 i TG-2 jes przeniesiona do koła odzyskowego. Dzięki emu wrasa moc obydwu urbin. Kocioł odzyskowy produkuje parę o dwóch ciśnieniach zasilając kolekor wysokociśnieniowy oraz bezpośrednio kolekor niskociśnieniowy. para WP K-4 K-5 para P Reg WP Reg P TG-1,2 TG-4 Odg 15 A A Odg 15 Rys. 4. Opcja proponowana modernizacji EC 5. Analiza ermodynamiczna Jako kryeria oceny analizowanych konfiguracji echnologicznych z urbiną gazową przyjęo różne miary oceny efekywności energeycznej (sprawność energeyczną, wskaźnik skojarzenia, wskaźnik wykorzysania paliwa, sprawność egzergeyczną) [1,2,7,8,9]. Przyjęo, że urbiny gazowe dołączone do sysemu pracują w warunkach nominalnych. Jednym z kryeriów doboru urbiny gazowej z isniejących yposzeregów był również przebieg krzywej kompozycyjnej Meoda enalpowa Meoda enalpowa bazuje na bilansach masowych i cieplnych elekrociepłowni. owe warunki pracy urbin parowych modelowano za pomocą własnego kodu obliczeniowego, kóry pozwala wyznaczyć m. in. rozkład ciśnienia pary w upusach i osiągana moc elekryczną. Dla urbin upusowo-kondensacyjnych TG-1 i TG-2 opracowano jeden model, 58 Cenrum Doskonałości OPTI_Energy

9 Kogeneracja w energeyce przemysłowej i komunalnej ponieważ są o maszyny idenyczne, o akim samym obiegu cieplnym. Przyjęo, że obydwie maszyny pracują zawsze w jednakowych warunkach (ciśnienie, emperaura i srumień pary świeżej, srumień pary upusowej). W module obliczeniowym urbiny TG-4 uwzględniono akże odgazowywacz 15 oraz wymienniki ciepłownicze. Orzymane wyniki posłużyły nasępnie do uworzenia modelu koła odzyskowego, kolekora niskociśnieniowego i odgazowywacza 15. Możliwości współpracy członu gazowego z isniejącym układem parowym badano za pomocą programu Gae Cycle. Rozparywano ypy urbin gazowych różnych producenów. iekóre posiadały komorę dopalania usyuowaną pomiędzy wyloem urbiny gazowej a kołem odzyskowym. W en sposób dobierano wymagana emperaurę spalin przed kołem odzyskowym. Do porównania opcji, a akże ypów urbin gazowych służy szereg wskaźników efekywności. ależą do nich: HRSG η HRSG - sprawność koła odzyskowego H g1 el η SC - sprawność obiegu parowego H g1 el GT ε - wskaźnik skojarzenia XA + + TS el GT XA TS η o - sprawność energeyczna całej elekrociepłowni S η S ( m f + m rb ) LHVf ( m + m ) S f rb f ηs ε CC o - wskaźnik wykorzysania paliwa el + GT XA + TS η el LHV + + η W podanych zależnościach sosowano nasępujące oznaczenia: H g1 - enalpia spalin na wlocie do koła odzyskowego m rb - srumień paliwa do dopalacza m f - srumień paliwa do urbiny gazowej el - sumaryczna moc elekryczna urbin parowych GT - moc elekryczna urbiny gazowej XA - ciepło produkowane przez elekrociepłownię w wodzie TS - ciepło produkowane przez elekrociepłownię w parze HRSG - ciepło użykowe z koła odzyskowego S - ciepło użykowe z kołów węglowych HRSG1 - emperaura spalin na wlocie do koła odzyskowego HRSG2 - emperaura spalin na wylocie z koła odzyskowego η el - sprawność elekrowni konwencjonalnej η S - sprawność kołów węglowych - sprawność ciepłowni η Insyu Techniki Cieplnej Poliechnika Śląska w Gliwicach 59

10 Chmielniak T.J., Kosman G., Kosman W.: Modernizacja elekrociepłowni przy dużym zużyciu... Sprawność koła odzyskowego odzwierciedla sopień odzysku ciepła. Insalowanie koła odzyskowego ma sens wówczas, gdy en wskaźnik przekracza 6 %. Wskaźnik skojarzenia, oprócz od opisu sopnia kogeneracji, pokazuje czy moc wybranego ypu urbiny gazowej jes adekwana do wielkości członu parowego. Wskaźnik skojarzenia bliski jedności oznacza przewymiarowaną urbinę gazową (o zby wysokiej mocy w sosunku do porzeb). Wskaźnik wykorzysania paliwa informuje o skali oszczędności paliwa dzięki kogeneracji. Sprawność energeyczna elekrociepłowni jes najważniejszym wskaźnikiem z punku widzenia użykownika. Rezulay obliczeń dla opcji wsępnej (I) i końcowej (II) są zebrane w abeli 1. Doyczą bilansu elekrociepłowni z konkreną urbiną marki General Elecrics PG7121. Turbina o akich paramerach okazała się najlepiej pasować do isniejącego układu parowego osiągając najwyższe wskaźniki. Rezulay bilansu masowego i cieplnego elekrociepłowni dla opcji wsępnej (I) i proponowanej (II) Tabela 3 Opcja GT el m g m f mrbf HRSG1 η HRSG η SC η o ε ε o HRSG2 [kw] [/h] [C] [%] - [C] I II Meoda enropowa Oceny różnych opcji modernizacyjnych można dokonać za pomocą meody enropowej. Podczas obliczeń sprawności elekrociepłowni zgodnie z ą meodą wyznacza się przyrosy enropii. Informują one o sraach energii w poszczególnych punkach sysemu i zwracają uwagę na urządzenia, kórych eksploaacja powinna w szczególności zosać zopymalizowana. Sprawność całej elekrociepłowni wynika z bilansów energii i enropii: el T T 3 3 T 1 1 S g W powyższych równaniach srumienie ciepła doyczą górnego źródła ciepła (kocioł odzyskowy i koły parowe), dolnego źródła ciepła (skraplacz) oraz dolnego źródła ciepła użykowego (para echnologiczna i ciepła woda): 1 HRSG + S 2 cond 3 XA + TS 6 Cenrum Doskonałości OPTI_Energy

11 Kogeneracja w energeyce przemysłowej i komunalnej Eliminując 2 i obliczając el sprawność układu parowego można zapisać jako: η SC ( S) T2 1 1 T T T 2 3 S g T 2 Temperaury pojawiające się w powyższych równaniach o średnie enropowe emperaury dla przepływu ciepła w poszczególnych częściach układu. Średnią enropową emperaurę górnego źródła ciepła oblicza się jako: HRSG + S T1 S S ou in gdzie S in i S ou są enropiami srumieni na wloach i wyloach odpowiednio koła odzyskowego i kołów węglowych. Formuła ych równań zależy od liczby srumieni w kole odzyskowym, kóra jes różna dla każdej opcji. Podobne równanie opisuje średnią enropową emperaurę w kondensaorze: T 2 cond S S in ou Srumień wody chłodzącej nie jes brany pod uwagę ponieważ jes poza osłoną bilansową układu parowego. T 3 S XA in S XA XA ou + + S TS TS in S TS ou Przyrosy enropii musza zosać obliczone z indywidualnych bilansów enropii dla każdej części układu. Ogólne równanie wygląda nasępująco: S g S ou - S in ± S source Znak przy członie określającym enropię źródła ciepła (S source ) zależy od ego czy ciepło jes dosarczane (+) czy odbierane (-). Rysunek 5 przedsawia przyrosy enropii w poszczególnych częściach układu dla obydwu opcji modernizacyjnych. Wykres rozważa urządzenia, kóre pracują z różnymi paramerami w każdej z opcji: urbiny TG-1 i TG-2, ich regeneracje oraz kocioł odzyskowy. S gen [kw/k] HRSG Odg. 4 TG-1 TG-2 2 Insyu Techniki Cieplnej Poliechnika Śląska w Gliwicach Rys. 5. Przyrosy enropii 61

12 Chmielniak T.J., Kosman G., Kosman W.: Modernizacja elekrociepłowni przy dużym zużyciu... Sprawność układu parowego (część gazowa jes jednakowa w obydwóch opcjach i nie musi być analizowana) obliczona meodą enropową pokazana jes na rysunku 6 w porównaniu z ą samą sprawnością liczoną według analizy enalpowej. Rozbieżności wynikają z zasosowania bardziej szczegółowego modelu w implemenacji meody enropowej w sosunku do komercyjnego oprogramowania używanego w analizie enalpowej Meoda: Enalpowa Enropowa Obliczenia egzergii.25 wsępna Opcje proponowana Rys. 6. Porównanie sprawności części parowej Cenne informacje w zakresie skumulowanej produkcji ciepła i energii elekrycznej dosarcza analiza egzergeyczna [1,8,9]. Pozwala porównywać różne rodzaje energii i różne paliwa odnosząc je do usalonego poziomu zerowego - zwykle poziomu ooczenia. Sprawność egzergeyczną części parowej dla badanej EC definiuje równanie: gdzie: η el g1 + + XA S + + TS HW in g1 - egzergia srumienia spalin na wlocie do koła odzyskowego HW in - egzergia srumienia wody sieciowej na wejściu XA - egzergia srumienia pary echnologicznej TS - egzergia srumienia pary wody sieciowej - egzergia srumienia pary wywarzanej w kołach węglowych S Obliczenia egzergii zosały zebrane w abeli 4. Jak wyżej, część gazowa zosała pominięa, aby umożliwić ławiejsze porównanie proponowanych opcji modernizacyjnych. Wyniki analizy egzergeycznej Tabela 4 Opcje: wsępna proponowana η [%] Cenrum Doskonałości OPTI_Energy

13 Kogeneracja w energeyce przemysłowej i komunalnej 5.4. Pinch Poin Analiza Pinch Poin [1,9] doyczy warunków wymiany ciepła w kole odzyskowym. Danymi wejściowymi są ciśnienie, emperaura i naężenie przepływu srumieni na wloach i wyloach koła (pary, wody i spalin). Kolejny pakie obliczeniowy pozwala wykreślić zw. krzywe kompozycyjne i wielką krzywą kompozycyjną. Kod pozwala założyć minimalną różnicę emperaur pomiędzy srumieniami gorącymi (oddającymi ciepło) a zimnymi (przejmującymi ciepło), kóra ma wpływ na położenie krzywych kompozycyjnych. Mniejsza minimalna różnica emperaur oznacza bliższe wzajemne usyuowanie krzywych i większą wymaganą powierzchnię wymiany ciepła. Jednakże, jeżeli różnica emperaur jes zby niska, wymagane są dodakowe wymienniki ciepła na wlocie lub wylocie z koła odzyskowego w zależności od ego, gdzie wysępuje niedobór medium zimnego bądź gorącego. Dodakowe wymienniki nie są porzebne gdy krzywe kompozycyjne znajdują się na wykresie jedna pod drugą. Własny kod i Gae Cycle pozwalają określić minimalną emperaurę wyloową z dopalacza opymalną dla wymiany ciepła w kole odzyskowym. Rysunki 7 i 8 przedsawiają wykresy krzywych kompozycyjnych dla opisanych wcześniej opcji. 6 T [C] 5 spaliny przegrzew WP parowacz WP economizer WP [MW] Rys. 7. Krzywe kompozycyjne dla opcji wsępnej modernizacji EC 6 T [C] spaliny 4 WP przg Reg. WP Reg. P 2 WP par WP econ P przg P par P econ [MW] Rys. 8. Krzywe kompozycyjne dla opcji proponowanej modernizacji EC Insyu Techniki Cieplnej Poliechnika Śląska w Gliwicach 63

14 Chmielniak T.J., Kosman G., Kosman W.: Modernizacja elekrociepłowni przy dużym zużyciu Analiza ekonomiczna Modernizacja elekrociepłowni, jak wiele podobnych działań, jes inwesycją. Przeznaczenie środków finansowych na realizację założeń projekowych, ma w przyszłości wygenerować zysk dla przedsiębiorswa. Decyzja o podjęciu przedsięwzięć inwesycyjnych jes opara na ocenie finansowej. Analiza bierze pod uwagę przede wszyskim zdyskonowane przepływy pieniężne (cash flows). Zaliczają się do nich: nakłady inwesycyjne (I ) umożliwiające powsanie przedsięwzięcia, przyszłe wpływy goówkowe z działalności generowanej przez przedsiębiorswo, warość końcową likwidacji przedsięwzięcia. Osani punk nie jes brany pod uwagę ponieważ po zakończeniu rozparywanego okresu inwesycji (1 rok budowy i 1 la eksploaacji) elekrociepłownia będzie nadal funkcjonować, a zgromadzone fundusze mogą zosać przeznaczone m. in. na kolejną modernizację. Trzy wskaźniki mogą być przydane przy ocenie przedsięwzięcia: 1) Warość bieżąca neo (PV - e Presen Value) wynika z zasady, że podjęcie inwesycji uzasadnione jes wówczas, gdy warość orzymanych z niej dochodów jes większa od zaangażowanych w niej środków finansowych. Srumień oczekiwanych wpływów porównywany jes z zaangażowanymi środkami finansowymi. Jeżeli na koniec analizowanego okresu warość bieżąca neo jes większa od zera, o przedsięwzięcie jes opłacalne, a warość sanowi uzyskaną nadwyżkę finansową. Oblicza się ją nasępująco: gdzie: PV CF r n I b n PV 1 CF ( 1 + r) - warość bieżąca neo - roczne przepływy pieniężne - sopa dyskona - analizowana liczba la - nakłady inwesycyjne na modernizację (ewenualne późniejsze nakłady inwesycyjne są uwzględniane w CF) - liczba la poświęconych na modernizację przed rokiem zerowym (b<) I 2) Wewnęrzna sopa zwrou (IRR - Inernal Rae of Reurn) określa sopę dyskona, przy kórej bieżąca warość srumienia wpływów wyrównuje się z nakładami inwesycyjnymi. Pośrednio pozwala usalić maksymalne oprocenowanie zaciąganego kredyu, przy kórym inwesycja się opłaca. Można o opisać wzorem: n 1 CF ( 1 + IRR) I 3) Zdyskonowany okres zwrou (DP - Discoun Pay ack ime) pozwala wyznaczyć czas, po jakim zdyskonowane przepływy pieniężne zrównają się z nakładami inwesycyjnymi. DP 1 1 CF ( + r) I 64 Cenrum Doskonałości OPTI_Energy

15 Kogeneracja w energeyce przemysłowej i komunalnej Wyniki analizy ekonomicznej dla opcji proponowanej z urbiną gazową General Elecrics PG7121 zebrane są w abeli 5. Wskaźniki ekonomiczne dla opcji proponowanej PV zł Tabela 5 IRR % DP 7.15 la Warość bieżąca neo na końcu osaniego roku inwesycji jes dodania, co oznacza, że inwesycja jes opłacalna. Zaczyna przynosić dochód na począku ósmego roku. Różnica pomiędzy wewnęrzną sopą wzrosu a założoną sopą dyskona jes większa niż 5 punków procenowych co gwaranuje z kolei odporność inwesycji na zmiany syuacji ekonomicznej funduszy zaangażowanych w projek. Obliczenia analizy ekonomicznej sporządzone są na san obecny, lecz doyczą dziesięcioleniego okresu w przyszłości. Opierają się w znacznym sopniu na warościach anycypowanych. iekóre z nich mogą ulec zmianie, a co za ym idzie, zmianie ulegnie również rezula inwesycji. Paramery najbardziej wrażliwe na zmiany i mające największy wpływ na wyniki ekonomiczne analizowanej elekrociepłowni o: cena gazu ziemnego, ceny sprzedaży energii elekrycznej i ciepła, sopa dyskona, liczba godzin pracy w ciągu roku. Ceny zakupu paliwa oraz sprzedaży wyprodukowanej energii mogą zmieniać się w rakcie analizowanego okresu czasu. Warości wykorzysane w obliczeniach są dosyć rygorysyczne. Sopę dyskona bardzo rudno właściwie oszacować, gdyż zależy od czynników, kóre również są szacowane. Liczba godzin produkcji w ciągu roku może ulegać zmianie na skuek wypadków losowych (awarii, przedłużających się remonów, id.) PV [ys. z ] 4-4 Sopa dyskona [%] PV [ys. z ] 8 4 Cena gazu [ z / GJ ] czas [laa] czas [laa] Rys. 9. Zależność przyrosu warości bieżącej neo PV od sopy dyskona r i ceny zakupu paliwa gazowego Insyu Techniki Cieplnej Poliechnika Śląska w Gliwicach 65

16 Chmielniak T.J., Kosman G., Kosman W.: Modernizacja elekrociepłowni przy dużym zużyciu... Analiza wrażliwości jes ujęa w formie wykresów (rys. 9 i 1) obrazujących odchylenia spodziewanej warości bieżącej neo PV w zależności od zmian wybranych paramerów. Wykresy pokazują wahania warości bieżącej neo przy zmianie jednej bądź dwóch wyszczególnionych wielkości, pozosałe są zachowane wg założeń. Czarnymi punkami oznaczono wynik analizy dla założeń głównych. PV [ys. z ] cena sprzedazy energii elekrycznej: 17 z / MWh 16 z / MWh 15 z / MWh 14 z / MWh 13 z / MWh PV [ys. z ] Czas produkcji [h / rok] cena sprzedazy energii cieplnej [zł / GJ] czas [laa] Rys. 1. Zależność przyrosu warości bieżącej neo PV od ceny sprzedaży energii elekrycznej i ciepła oraz od rocznego czasu produkcji 7. Modernizacja warunków eksploaacji w celu wydłużenia czasu pracy elemenów urbin - II warian modernizacji EC W drugim wariancie modernizacji (punk 2.f) przyjęo, że oczekiwany czas dalszej eksploaacji EC jes równy o 11 godzin. Tego kryerium nie spełniają pozosałe czasy pracy elemenów D i E (ablica 2). Konieczna jes albo wymiana wymienionych elemenów, albo modernizacja warunków eksploaacji urbin w celu zmniejszenia empa zużycia eksploaacyjnego ych elemenów. ajprosszym sposobem wydłużenia pozosałego czasu pracy elemenów jes obniżenie emperaury pary przed urbiną. Efekem niepożądanym jes obniżenie efekywności pracy całego układu Wpływ emperaury pary na pozosały czas pracy elemenów Z zależności (1) wynika, że pozosały czas pracy elemenu ( p ) zależy od akualnego sopnia zużycia Z oraz dalszych warunków pracy usalonej (naprężenie σ c i emperaura T) i nieusalonej (ampliudy σ, pozosała liczba zmian obciążenia i rozruchów z różnych począkowych sanów cieplnych pi ). W związku z ym można rozparywać szereg zadań szczegółowych i analizować wpływ różnych czynników na pozosały czas pracy urbiny. 66 Cenrum Doskonałości OPTI_Energy

17 Kogeneracja w energeyce przemysłowej i komunalnej W szczególnym przypadku, gdy częsoliwość uruchamiania pozosaje sała i równa doychczasowej, a zmienia się ylko emperaura z emperaury nominalnej, pozosały czas pracy określa zależność p Z 1 Z + Czas en jes funkcją maksymalnego czasu pracy odpowiadającego nominalnej emperaurze pary przed urbiną T, maksymalnego czasu pracy 1 odpowiadającego zmienionej emperaurze pary przed urbiną T 1, doychczasowego zużycia Z oraz czasu doychczasowej pracy d. Wpływ emperaury na pozosały czas pracy elemenów pokazano na rysunku 11. Rozparywano 5 elemenów z punku 3.3. Punky wyjściowe do analizy oznaczono u czarnymi kropkami. Są o jednocześnie czasy pracy jakie pozosały do dyspozycji w przypadku nie zmieniania emperaury pary. Obniżanie emperaury pary świeżej wpływa korzysnie na żywoność elemenu. d p [1 3 h] Z T 1 [ o C] Rys. 11. Wpływ emperaury pary na pozosały czas pracy elemenów 7.2. Ocena skuków zmniejszenia empa zużycia elemenów w usalonych sanach pracy bloku energeycznego Zgodnie z uwagami podanymi wcześniej, obniżenie emperaury pary świeżej spowoduje wydłużenie czasu pracy elemenów, ale jednocześnie wpłynie na obniżenie efekywności pracy i mocy urbiny. Jes o efek niepożądany. Podjęcie osaecznej decyzji o obniżeniu emperaury pary świeżej musi poprzedzić łączna analiza zysków i sra. Zagadnienie zmniejszenia sprawności i mocy urbiny można rozparywać w różnych aspekach, np. jako [6]: - obniżenie mocy urbiny przy sałym srumieniu pary świeżej, - wzros jednoskowego zużycia węgla przy sałej mocy urbiny. Dla analizowanej elekrociepłowni rozparzono ylko obniżenie mocy urbin przy sałym srumieniu pary świeżej. W rakcie symulacji numerycznych zmieniano: emperaurę pary świeżej Jako paramery sale (równe warościom nominalnym) przyjęo: srumień pary świeżej, ciśnienie pary świeżej, ciśnienie w kondensaorze oraz emperaurę wody zasilającej przed kołem. Insyu Techniki Cieplnej Poliechnika Śląska w Gliwicach 67

18 Chmielniak T.J., Kosman G., Kosman W.: Modernizacja elekrociepłowni przy dużym zużyciu... Wyniki symulacji numerycznych przedsawiono na rys. 12. Obniżenie emperaury pary, przy niezmienionych pozosałych paramerach, prowadzi zgodne z oczekiwaniami do zmniejszenia mocy urbiny. [MW] TG-1,2 TG T 1 [ o C] Rys. 12. Wpływ emperaury na moc elekryczną urbin TG-1 i TG-4 dla m cons. a rysunku 12 przedsawiono wyniki obliczeń mocy urbin TG-1,2 i TG-4 dla sałego srumienia pary świeżej. Temperaurę pary zmieniano w zakresie 5 48 C. Wyróżnione, czarne punky odpowiadają nominalnej emperaurze pary. Łącząc wyniki przesawione na rys. 11 i 12 uzyskuje się wykres zbiorczy ilusrujący wpływ emperaury pary na pozosały czas pracy elemenów i moc urbiny. a rysunku 13 pokazano aką zależność dla 5 elemenów różniących się sopniem zużycia. el [MW] T 1 5 o C 49 o C 48 o C Z p [1 3 h] Rys. 13. Zależność mocy urbiny i pozosałego czas pracy elemenów od emperaury pary Z przedsawionego wykresu wynika, iż dla dwóch elemenów o znacznie różniących się zużyciach (np. dla Z 3 i 6 %) przyros pozosałego czasu pracy jes różny, przy ym samym zmniejszeniu mocy urbiny. Dla elemenów o mniejszym zużyciu (np. dla Z 3 %) przyros pozosałego czasu pracy w sosunku do zmniejszenia mocy elekrycznej urbiny jes większy. 68 Cenrum Doskonałości OPTI_Energy

19 Kogeneracja w energeyce przemysłowej i komunalnej 8. Podsumowanie Zasosowanie urbin gazowych i kołów odzyskowych zwiększa liczbę możliwych układów echnologicznych dla skojarzonej produkcji energii elekrycznej i ciepła. W arykule przeanalizowano możliwość zasosowania akiego układu do modernizacji isniejących elekrowni i elekrociepłowni. Rozparzono modernizację elekrociepłowni z kołami i urbinami parowymi, kórych główne elemeny są w znacznym sopniu zużye. W pierwszym wariancie modernizacji EC pozosawiono e maszyny i urządzenia, kóre zapewnią bezpieczną pracę przez okres 8. godzin. Przyros efekywności pracy elekrociepłowni po modernizacji jes związany przede wszyskim z rozbudowaniem układu echnologicznego koła odzyskowego. Taka rozbudowa związana jes ze wzrosem koszów inwesycyjnych. Przedłużenie czasu pracy do 1. godzin jes możliwe bez dodakowych nakładów inwesycyjnych poprzez obniżenie emperaury pary świeżej. W ych warunkach maleje jednak efekywność pracy całego układu. Dalsze przedłużenie czasu pracy EC byłoby możliwe dopiero po wymianie kolejnych elemenów lub maszyn. p. dla uzyskania czasu dalszej eksploaacji 15. godzin należałoby wycofać urbinę TG-2 oraz wymienić zawór odcinający w urbinie TG-1. Lieraura [1] ejan A., Tsasaronis G., Moran M.: Thermal Design & Opimizaion, John Wiley & Sons, IC, ew York 1996 [2] Chmielniak T., Kosman G., Kosman W.: Analysis of Cycle Configuraions for he Modernizaion of Combined Hea and Power Plan by Fiing a Gas Turbine Sysem. ASME Paper GT [3] Kosman G., awra K., Kosman W.: Operaion Decision Suppor Regarding Componens of Seam Turbines Wear in Seady Sae. Transacions of he Insiue of Fluid-Flow Machinery (w druku) [4] Kosman G., Rusin A.: Określenie warunków osiągnięcia planowanego czasu dalszej eksploaacji urbin parowych. Konferencja Eksploaacja Maszyn i Urządzeń Energeycznych. Szczyrk 23. [5] Kosman G. awra K.: Ocena skuków zmniejszenia empa zużycia elemenów w usalonych sanach pracy urbin. Konferencja Dososowanie Energeyki do Sandardów Europejskich, Szczyrk 23 [6] awra K.: Wspomaganie decyzji eksploaacyjnych w usalonych sanach pracy urbin parowych. Praca dokorska, 23. [7] Schmid D., Sullivan T. The Model Seam Turbine: A Mehod of Evaluaing a Hea Recovery Seam Generaor in a Combined Cycle Plan, ASME TURO EXPO 21, ew Orleans, Louisiana, 21-GT-51 [8] Szargu J., Morris D. R., Seward F. R., Exergy Analysis of Thermal, Chemical and Meallurgical Processes, Hemisphere, PA, 1988 [9] Szargu J., Ziębik A.: Podsawy energeyki cieplnej. PW W-wa Insyu Techniki Cieplnej Poliechnika Śląska w Gliwicach 69

20 Chmielniak T.J., Kosman G., Kosman W.: Modernizacja elekrociepłowni przy dużym zużyciu... 7 Cenrum Doskonałości OPTI_Energy