Elastyczność DUOBLOKU 500

Transkrypt

1 Politechnika Śląska w Gliwicach Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych Elastyczność DUOBLOKU 500 Henryk Łukowicz, Tadeusz Chmielniak, Andrzej Rusin, Grzegorz Nowak, Paweł Pilarz Konferencja DUO-BIO Niskoemisyjne innowacyjne technologie rekonstrukcji elektrowni węglowych z blokami o mocy 200 MW Warszawa, 6 grudzień 2016

2 Wprowadzenie Zmieniają się warunki pracy bloków węglowych w systemie energetycznym. Problematyka dekarbonizacji przesuwa bowiem coraz częściej technologie paliw kopalnych do funkcji bilansujących przy braku generacji elektryczności ze źródeł odnawialnych. Rośnie znaczenie zdolności do zmiany obciążenia (elastyczność cieplna) wszystkich modułów instalacji oraz do utrzymania wysokiej sprawności w całym zakresie obciążenia. Parametry charakteryzujące elastyczność cieplną: Minimum techniczne bloku, Maksymalna moc trwała, Skokowe zmiany mocy czynnej, Szybkość zmiany mocy wytwarzanej, Czasy rozruchu bloku z różnych stanów cieplnych. 2

3 Wprowadzenie cd. Jednym z rozwiązań zwiększających elastyczność cieplną bloków węglowych jest Duoblok. Porównanie charakterystyk instalacji: Układu gazowo-parowego (2x440 MW), Bloku węglowego (1000 MW), Duobloku (2x550 MW) w zakresie dynamiki zmiany obciążenia i minimum technicznego (Gereon T., Krull F. F. : Flexible Coal Fired Power Plants of RWE. COAL-GEN Europe, Warsaw, Poland February 15, 2012) 3

4 Zakres badań 1. Analizowano dwa sposoby skokowego zwiększenia mocy Duobloku: Pierwszy sposób dotyczył analizy możliwości chwilowego zwiększenia mocy Duobloku poprzez zmniejszenie strumienia kondensatu w regeneracji niskoprężnej. Innym sposobem zmiany mocy bloku w dłuższym okresie czasu jest zastosowanie dodatkowego (zlokalizowanego za zbiornikiem wody zasilającej) zbiornika ciśnieniowego umożliwiającego akumulację gorącej wody. 2. Dokonano oceny wskaźnika zagrożenia erozyjnego ostatniego stopnia turbiny pracującej w układzie Duobloku dla przewidywanego zakresu obciążenia bloku. Określono minimalną wartość temperatury pary wtórnie przegrzanej, dla której zagrożenie erozyjne nie przekroczy wartości występującej przy nominalnym obciążeniu bloku. 3. Przeprowadzono analizę stanów wytrzymałościowych wirników turbiny dla nienominalnych i ustalonych stanów pracy DUOBLOKu. 4

5 Chwilowe zwiększenie mocy Duobloku Szybkie zwiększenie mocy jest możliwe poprzez ograniczeniem dopływu skroplin do wymienników regeneracji niskoprężnej. Jednocześnie wykorzystuje się objętość zbiornika wody zasilającej (ZWZ). Proces ten może trwać do momentu osiągnięcia minimalnego dopuszczalnego poziomu w ZWZ. Okres ten jest zwykle krótszy niż 10 minut. 5

6 Zastosowanie zbiornika akumulującego gorącą wodę Proces akumulacji ciepła polega na rozdzieleniu strumienia czynnika przed pompą wody zasilającej kocioł i skierowaniu go do gorącego zbiornika. Jednocześnie taki sam strumień wody jest doprowadzany za skraplaczem z zasobnika wody zimnej powodując przyrost strumienia skroplin przed wymiennikami regeneracji niskoprężnej. Duoblok przy obciążeniu 50% z akumulacją ciepła 6

7 Zmiana mocy w czasie napełniania zbiornika gorącej wody 7

8 Rozładunek zbiornika gorącej wody Rozładunek zakumulowanej wody z zasobnika gorącej wody jest realizowany poprzez pompowanie tego czynnika do rurociągu wody za wymiennikami regeneracji niskoprężnej (przed odgazowywaczem). Natomiast odpowiedni strumień skroplin za skraplaczem jest pompowany do zbiornika zimnej wody. Prowadzi to do zmniejszenia strumienia skroplin przepływających przez wymienniki regeneracji niskoprężnej i w efekcie do redukcji zapotrzebowania na parę z upustów części średnio- i niskoprężnej turbiny, co podnosi moc turbozespołu. 8

9 Temparatura pary przed SP [ C] Wskaźnik zagrożenia erozyjnego E Wskaźnik zagrożenia erozyjnego łopatek ostatniego stopnia turbiny kierunek napływu pary kierunek napływu kropel wody obszar erozji 60 50, E = ky 0 2 u3 p ,966 22, ,0 0, O C ,925 13, MPa Wariant pracy Entalpia właściwa [kj/kg] ,3 516,3 536,3 556, x= Entropia właściwa [kj/kgk] Numer wariantu 9

10 Analiza stanów wytrzymałościowych wirników turbiny dla nienominalnych i ustalonych stanów pracy DUOBLOKu Z punktu widzenia elastyczności cieplnej Duoblok umożliwia uzyskanie charakterystyk dynamiki zmiany mocy podobnych do układów gazowo-parowych i monobloku węglowego oraz uzyskanie niskich wartości obciążenia minimalnego na paliwie podstawowym. Określenie pełnych charakterystyk eksploatacyjnych takiego rozwiązania wymaga przeprowadzenia dyskusji stanu wytrzymałościowego. Przedmiotem analiz numerycznych były ustalone i nieustalone stany cieplne oraz stan naprężenia w elementach turbiny. Szczegółowo rozważano warunki pracy ustalonej przy obciążeniu z zakresu od 100% do 20% mocy znamionowej bloku. Podano wyniki symulacji numerycznej nieustalonych stanów pracy turbiny w trakcie rozruchu oraz w trakcie przejścia do poziomu mocy minimalnej wynoszącej 20% mocy nominalnej. 10

11 Modele wirników B C A Model wirnika części WP C A B Model wirnika części SP 11

12 Praca turbiny w warunkach ustalonych przy różnych poziomach obciążeń Rozkład temperatury w wirniku WP w stanie ustalonym przy obciążeniu nominalnym 12

13 Praca turbiny w warunkach ustalonych przy różnych poziomach obciążeń Rozkład naprężeń ekwiwalentnych w wirniku WP w stanie ustalonym przy obciążeniu nominalnym 13

14 Praca turbiny w warunkach ustalonych przy różnych poziomach obciążeń Rozkład temperatury w wirniku WP w stanie ustalonym przy obciążeniu równym 20% obciążenia nominalnego 14

15 Praca turbiny w warunkach ustalonych przy różnych poziomach obciążeń Rozkład naprężeń ekwiwalentnych w wirniku WP w stanie ustalonym przy obciążeniu równym 20% obciążenia nominalnego 15

16 Praca turbiny w warunkach zmiany mocy Wykonano numeryczną symulację stanów termicznych i stanu naprężenia w wirnikach WP i SP turbiny w warunkach przechodzenia bloku z obciążenia równego 40% mocy minimalnej przy której pracują jeszcze dwa kotły do mocy niższej przy której jeden z kotłów zostaje odstawiony. W tej sytuacji następuje skok temperatury pary. W początkowym okresie temperatura pary ulega gwałtownemu obniżeniu aby po stosunkowo krótkim czasie powrócić do wyższych wartości. Schemat zmian temperatury przedstawiono na rysunku Głównymi parametrami opisującymi manewr takiego obniżenia mocy Duobloku są: zakres obniżenia temperatury pary T, tempo obniżania temperatury pary dt dt oraz okres t po którym następuje wzrost temperatury pary pary świeżej w trakcie wyłączania jednego z kotłów 16

17 Naprężenia w wirniku WP punkt A punkt B punkt C Zmiana składowej głównej naprężeń w punkcie A, B i C wirnika WP przy T =20K punkt A punkt B punkt C Zmiana składowej głównej naprężeń w punkcie A, B i C wirnika WP przy T =40K 17

18 Naprężenia w wirniku SP punkt A punkt B punkt C Zmiana składowej głównej naprężeń w punkcie A, B i C wirnika SP przy T =20K punkt A punkt B punkt C Zmiana składowej głównej naprężeń w punkcie A, B i C wirnika SP przy T =40K 18

19 Charakterystyka uruchomienia ze stanu zimnego Przyrost temperatury ΔT/ Δt = 2 K/min 19

20 Naprężenia w wirniku WP w czasie uruchamiania ze stanu zimnego punkt A punkt B punkt C Zmiana naprężeń w punkcie A, B i C wirnika WP w czasie rozruchu Rozkład naprężeń ekwiwalentnych w wirniku WP w stanie uruchamiania ze stanu zimnego w 126 min. uruchamiania 20

21 Podsumowanie możliwości chwilowego zwiększenia mocy Ograniczenie strumienia kondensatu płynącego przez wymienniki regeneracji niskoprężnej i wykorzystanie objętości zbiornika wody zasilającej umożliwia podniesienie mocy turbozespołu. Zwiększenie mocy brutto Duobloku zależy od redukcji strumienia wody w regeneracji niskoprężnej i dla zamodelowanego bloku 500 MW osiągnięto ok. 34,8 MW e, co stanowi 6,6% mocy nominalnej bloku przy zmniejszeniu upustów pary do regeneracji niskoprężnej. Maksymalny czas chwilowego zwiększenia mocy wynika bezpośrednio z aktualnego obciążenia Duobloku i maksymalnych możliwości procesu akumulacji (dla obciążenia 100% okres ten wynosi ok. 10 min). 21

22 Posumowanie wykorzystanie gorącego zbiornika Zastosowanie systemu akumulacji ciepła pozwala na obniżenie mocy brutto Duobloku w wyniku skierowania części wody zasilającej za odgazowywaczem do zbiornika gorącej wody. Określono maksymalne strumienie do akumulacji zależne od obciążenia, a tym samym wyznaczono możliwe spadki mocy brutto Duobloku. W przypadku obciążenia 80% generowana moc spadła do 184,3 MW (o 236,4 MW mniej niż bez akumulacji), jednocześnie osiągając niższą wartość niż przy minimum technicznym instalacji 40% 208,3 MW. Rozładunek gorącego zbiornika realizowany przez doprowadzenie gorącej wody za regeneracją niskoprężną pozwala na osiągnięcie wyższych mocy Duobloku. Największy przyrost mocy brutto osiągnięto dla obciążenia 90% uzyskując 522,4 MW (o 42,7 MW więcej), jednak czas trwania zwiększonej mocy jest ściśle związany ze strumieniem wody pobieranej z gorącego zbiornika i w tym przypadku wynosił 29 minut. Wykazano również możliwość zastosowania zakumulowanej wody do osiągnięcia mocy 556 MW, czyli 105% nominalnej mocy brutto. Podniesioną moc zrealizowano przez rozładunek zbiornika strumieniem 214,5 kg/s w czasie ponad 37 minut. Rezultaty analizy wskazują na duży potencjał zwiększenia elastyczności przez zastosowanie dodatkowych zbiorników akumulujących gorącą wodę. Powinny one zostać ocenione na etapie projektowania nowych bloków dla założonego scenariusza eksploatacji jednostek w systemie elektroenergetycznym. 22

23 Podsumowanie zagrożenie erozją łopatek turbiny Podstawowe znaczenie dla stopnia suchości pary wlotowej do ostatniego stopnia ma temperatura pary wtórnie przegrzanej. Wartość stopnia suchości w przekroju wlotowym stopnia, zależy od warunków pracy turbiny takich jak: obciążenie turbozespołu, ciśnienie w skraplaczu, praca układu regeneracji, temperatura pary wtórnie przegrzanej. Dla minimum technicznego obciążenia turbozespołu 20%, temperatura pary wtórnie przegrzanej, dla której zagrożenie erozyjne nie przekroczy wartości występującej przy nominalnym obciążeniu bloku wynosi ok. 560 o C. 23

24 Podsumowanie analiza stanów cieplno-wytrzymałościowych W ustalonych warunkach pracy przy różnych poziomach mocy rozkłady naprężeń w strefach wlotowych wirników różnią się stosunkowo niewiele. Oznacza to, że różne poziomy mocy w warunkach pracy ustalonej nie będą istotnie wpływały na trwałość elementów turbiny. Przeprowadzone symulacje numeryczne skokowej zmiany temperatury pary pokazały możliwą skalę tych zmian naprężeń w wirnikach turbiny. W wirniku WP należy oczekiwać pojawienia się amplitudy naprężeń około 120 MPa a w wirniku SP około 60 MPa. Są to wartości znacząco mniejsze od amplitud jakie pojawiają się przy rozruchach ze stanu zimnego i ciepłego a także mniejsze niż przy rozruchach ze stanu gorącego. Można oczekiwać, że nawet przy 600 takich zmianach mocy w ciągu jednego roku ubytek trwałości spowodowany zmęczeniem niskocyklicznym w tym okresie będzie niższy niż 1%. Naprężenia wywołane tymi stanami pracy są znacząco mniejsze w porównaniu z naprężeniami powstałymi w czasie uruchomień. 24

25 Przedstawione wyniki zostały uzyskane w badaniach współfinansowanych przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach umowy PBS2/B4/8/ Programu Badań Stosowanych - Niskoemisyjne innowacyjne technologie rekonstrukcji elektrowni węglowych z blokami o mocy 200 MW Dziękuję za uwagę 25