Wpływ regeneracji na pracę jednostek wytwórczych kondensacyjnych i ciepłowniczych 1)

Transkrypt

1 Wpływ regeneracji na pracę jednostek wytwórczych kondensacyjnych i ciepłowniczych 1) Autor: dr inż. Robert Cholewa ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Zakład Techniki Cieplnej ( Energetyka nr 9/2012) Regeneracyjny podgrzew wody zasilającej zmniejsza ilość ciepła oddawaną z bloku energetycznego kondensacyjnego do otoczenia, ponieważ część pary, która przepracowała w układzie przepływowym turbiny oddaje ciepło wewnątrz obiegu, a nie do skraplacza. W konsekwencji regeneracja ciepła w obiegu Rankine a prowadzi do wzrostu sprawności obiegu, a wzrost ten jest tym większy, im pobór pary do regeneracji znajduje się bliżej wylotu z turbiny. W wyniku pracy regeneracji wzrasta temperatura wody zasilającej i w konsekwencji spada całkowite i jednostkowe zużycie ciepła przez turbozespół. Dla pracy bez parowych podgrzewaczy powietrza wzrost temperatury wody zasilającej do kotła powoduje jednak również wzrost temperatury spalin i w konsekwencji spadek sprawności kotła. Ten spadek sprawności kotła zależy od powierzchni wymiany ciepła obrotowego podgrzewacza powietrza oraz pośrednio od współczynnika nadmiaru powietrza w kotle. Przy budowie nowych bloków kondensacyjnych dla schłodzenia spalin do temperatury zapewniającej wysoką sprawność kotła projektuje się odpowiednio duże powierzchnie podgrzewacza powietrza. W takim przypadku nie występuje generalnie problem spadku sprawności kotła w związku z pracą regeneracji, gdyż kocioł projektowany jest dla pełnego wykorzystania podgrzewaczy regeneracyjnych. Przeciwnie, wyłączenie podgrzewaczy regeneracyjnych powoduje konieczność kierowania większej ilości pary do parowych podgrzewaczy powietrza, co dodatkowo obniża sprawność bloku. Z powyższych względów dla nowych bloków nie istnieje problem pracy bez regeneracji wysokoprężnej (WP) lub ograniczenia jej pracy, ale jedynie problem optymalnego zaprojektowania układu regeneracji. Inna sytuacja występuje dla starszych bloków w których zarówno regeneracja, jak i kocioł pracują gorzej niż w warunkach projektowych zwłaszcza w warunkach letnich przy wysokiej temperaturze powietrza pobieranego z kotłowni do kotła. W tym przypadku praca z niepełną regeneracją WP może skutkować wzrostem sprawności kotła. Dodatkowe korzyści z pracy z wyłączoną regeneracją WP mogą występować w elektrociepłowniach zawodowych i przemysłowych. W turbozespołach z poborem pary z wylotu turbiny do ciepłownictwa lub technologii praca regeneracji nie zmniejsza ilości ciepła oddawanego do otoczenia, zmniejsza natomiast produkcję ciepła użytkowego. Wyłączenie regeneracji WP może zatem pozwolić na uniknięcie konieczności załączenia urządzeń szczytowych lub pozwolić na pracę z mniejszą liczbą turbozespołów z obciążeniem bliższym obciążeniu znamionowego. Zwiększenie produkcji ciepła użytkowego przy wyłączeniu regeneracji WP występuje oczywiście tylko, gdy możliwe jest zwiększenie wydajności cieplnej kotłów w stosunku do pracy z włączoną regeneracją. 1) Artykuł oparty na referacie wygłoszonym podczas IV Konferencji Szkoleniowej Zakładu Techniki Cieplnej Optymalizacja procesów energetycznych dobra praktyka inżynierska w energetyce i przemyśle, zorganizowanej przez ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Bronisławów, kwietnia 2012 r.

2 W artykule rozpatrzono dla bloków kondensacyjnych wpływ pracy z wyłączoną regeneracją WP na jednostkowe zużycie energii chemicznej paliwa. W szczególności rozważono, jaką część strat od strony turbozespołu może zrekompensować wyższa sprawność kotła. Odpowiedziano na pytanie, czy jest możliwe, że dla bloków kondensacyjnych wyłączenie regeneracji WP będzie prowadziło do wzrostu sprawności bloku. Na końcu pokazano, że dla pracy elektrociepłowni wyłączenie regeneracji WP może być korzystną energetycznie alternatywą załączania większej ilości turbozespołów lub kotłów wodnych szczytowych. Wpływ regeneracji WP na wskaźniki pracy turbozespołu Wpływ pracy regeneracji WP na pracę turbozespołu zależy głównie od poziomów ciśnień pary pobieranej do regeneracji, od sprawności wewnętrznej układu przepływowego turbiny oraz od stanu technicznego układu regeneracji. W uproszczeniu zwiększone jednostkowe zużycie ciepła turbozespołu przy stałym zużyciu pary po wyłączeniu regeneracji WP można przedstawić jako: Q M H QJ N N WZ R 10 gdzie: Q zużycie ciepła przez turbozespół, GJ/h; M zużycie pary przez turbozespół, t/h; ΔH WZ przyrost entalpii wody zasilającej po wyłączeniu regeneracji WP, kj/kg; N moc turbozespołu, MW; ΔN R wzrost mocy elektrycznej po wyłączeniu regeneracji WP, MW. Przyrost entalpii wody zasilającej w wyniku wyłączenia regeneracji WP zależy głównie od ciśnienia pary pobieranej do ostatniego podgrzewacza regeneracyjnego i stanu technicznego układu regeneracji. Wzrost mocy elektrycznej w wyniku wyłączenia regeneracji WP zależy natomiast od poziomów ciśnienia pary pobieranej do poszczególnych podgrzewaczy i sprawności wewnętrznej poszczególnych grup stopni turbiny. Na rysunku 1 pokazano dla turbozespołu 13K225 przykładową zależność od obciążenia, dotyczącą wzrostu jednostkowego zużycia ciepła przez turbozespół przy wyłączonej regeneracji WP. Zależność odnosi się do pokazanego na rysunku 2 rozkładu wartości temperatury wody zasilającej w regeneracji WP. Wykresy sporządzone zostały na podstawie wyników wykonanych pomiarów i obliczeń bilansowych turbozespołu. Dla zakresu obciążeń od 90 do 220 MW w efekcie wyłączenia regeneracji WP otrzymano wzrost jednostkowego zużycia ciepła turbozespołu od 0,7% do ponad 3%. Poniżej przedstawiono następne dwa przykłady wpływu wyłączenia regeneracji WP na wskaźniki pracy turbozespołów: 18K375 i K Na rysunkach 3 i 4 pokazano charakterystyki jednostkowego zużycia ciepła i temperatur wody zasilającej do kotła, otrzymane na podstawie wyników pomiarów porównawczych przy czynnej i wyłączonej regeneracji WP. W przypadku turbozespołu 18K375 (rys. 3) dla całego zakresu obciążeń w efekcie wyłączenia regeneracji WP otrzymano wzrost jednostkowego zużycia ciepła o około 2,5%, 6

3 podobnie jak dla turbozespołu 13K225. Należy jednak zauważyć, że dla turbozespołu 18K375 (w odróżnieniu od turbozespołu 13K225) temperatura wody zasilającej (za odgazowywaczem) zmienia się z obciążeniem i różnica temperatury wody zasilającej do kotła przy czynnej i wyłączonej regeneracji WP jest prawie niezależna od obciążenia i wynosi około 60 C. W przypadku turbozespołu K (rys. 4), ze stosunkowo złym stanem technicznym układu regeneracji w czasie pomiarów porównawczych, przy pracy bez regeneracji WP jednostkowe zużycia ciepła było wyższe o 1,1 1,5%. Z powodu złego stanu technicznego układu regeneracji podgrzew wody zasilającej w regeneracji WP wynosił tylko C. Warto zauważyć, że dla każdego z przedstawionych wyżej przykładów uzyskuje się zbliżone wartości wzrostu jednostkowego zużycia ciepła przez turbozespół przypadającego na 1 C spadku temperatury wody zasilającej za regeneracją WP. Przy znamionowym obciążeniu turbozespołów uzyskano: dla turbozespołu 13K225 około 0,036% na 1 C, dla turbozespołu 18K375 około 0,045% na 1 C a dla turbozespołu K około 0,034% na 1 C. Dla turbin przeciwprężnych bez przegrzewu międzystopniowego pracujących w układzie kolektorowym na podstawie obliczeń bilansowych określono wzrost jednostkowego zużycia ciepła przez turbozespół po wyłączeniu regeneracji WP na poziomie 0,031% na 1 C spadku temperatury wody zasilającej. Przy podgrzewie wody zasilającej w regeneracji WP na poziomie 55 C daje to około 1,7% wzrostu jednostkowego zużycia ciepła przez turbozespół. Podawane powyżej przykładowe wartości od 0,031 do 0,045% można przyjąć jako typowe wartości wzrostu jednostkowego zużycia ciepła turbozespołu w wyniku spadku temperatury wody zasilającej za regeneracją WP o 1 C. Podgrzew wody zasilającej przy obciążeniu znamionowym w regeneracji WP w praktyce wynosi od 45 do 90 C. Przy odstawianiu regeneracji WP występuje więc zakres zwiększenia jednostkowego zużycia ciepła przez turbozespół od 1,35 do 3,5%. Wpływ regeneracji WP na wskaźniki pracy kotła W poprzednim rozdziale oszacowano wpływ pracy regeneracji WP na jednostkowe zużycie ciepła turbozespołu. Nie rozpatrywano przy tym problemu optymalnej budowy regeneracji WP, a jedynie analizowano pracę istniejących turbozespołów pod kątem oszacowania zakresu pogorszenia wskaźnika pracy turbozespołu w wyniku wyłączenia regeneracji WP. Zmiana sprawności bloku zależy również od sprawności kotła. Obniżenie temperatury wody zasilającej w wyniku wyłączenia regeneracji WP wpływa bezpośrednio na temperaturę spalin za kotłowym podgrzewaczem wody. Temperatura spalin na granicy osłony bilansowej za obrotowym podgrzewaczem powietrza (LUVO) zależy jednak również od pracy parowych podgrzewaczy powietrza. Jeżeli temperatura spalin za LUVO jest za niska ze względu na temperaturę punktu rosy, jej wartość jest podwyższana poprzez pracę parowych podgrzewaczy powietrza. W takim przypadku praca regeneracji WP nie wpłynie na sprawność kotła. Nastąpi jednak wzrost parowych potrzeb własnych, co dodatkowo poza wzrostem jednostkowego zużycia ciepła turbozespołu wpłynie na pogorszenie sprawności wytwarzania bloku. W sytuacji, gdy parowe podgrzewacze powietrza nie pracują i temperatura spalin nie jest zbliżona do temperatury punktu rosy, wyłączenie regeneracji WP wpłynie jednak na obniżenie temperatury spalin za LUVO i podwyższenie sprawności kotła.

4 W dalszej części artykułu zaprezentowano trzy przykłady zachowania się temperatury spalin za LUVO i sprawności kotła w wyniku wyłączenia regeneracji WP. Głównym celem rozważań jest jednak odpowiedź na pytanie, czy po wyłączaniu regeneracji WP zyski od strony kotła mogą zrównoważyć straty od strony turbozespołu. Na rysunku 5 pokazano przykładowe charakterystyki dla kotła OP650 współpracującego z turbozespołem K-200-5, na rysunku 6 dla kotła BB1150 współpracującego z turbozespołem 18K375, a na rysunku 7 dla kotła OP230 pracującego w układzie kolektorowym. Dla wszystkich tych przypadków w poprzednim rozdziale pokazano efekt zwiększenia jednostkowego zużycia ciepła przez turbozespół po wyłączeniu regeneracji WP. Charakterystyki na rysunkach 5 i 6 powstały na podstawie specjalnych pomiarów wykonanych dla pracy przy czynnej i odstawionej regeneracji WP. Charakterystyki na rysunku 7 powstały natomiast na podstawie obliczeń z systemu TKE dla pracy kotła z czynną i odstawioną regeneracją WP. Oprócz wyników pomiarów na rysunkach 5-b i 6-b przedstawiono również wyniki teoretycznych obliczeń temperatury spalin za LUVO przy niepracującej regeneracji WP. Temperaturę spalin za LUVO przy niepracującej regeneracji WP obliczono na podstawie pomiarów z czynną regeneracją WP oraz wartości temperatury wody zasilającej do kotła z pomiarów z czynną i wyłączoną regeneracją WP. Do obliczeń wykorzystano obliczenia bilansowe i równania przepływu ciepła dla kotłowego podgrzewacza wody zasilającej i podgrzewacza powietrza LUVO. Należy podkreślić, że w obliczeniach przyjęto założenie, że współczynnik przenikania ciepła dla LUVO i kotłowego podgrzewacza wody nie zmieniają się ze względu na pracę regeneracji WP. Na podstawie tak otrzymanej temperatury spalin za kotłem obliczono ostatecznie teoretyczną sprawność kotła przy wyłączonej regeneracji WP i pokazano również na rysunkach 5-a i 6-a dla porównania z wynikami pomiarów i obliczeń bezpośrednich. W obliczeniach teoretycznych przyjęto założenia upraszczające, że zawartość tlenu w spalinach za kotłem i ilość spalin oraz powietrza nie zmieniają się ze względu na pracę regeneracji WP. Ponadto założono, że zawartość części palnych w odpadach paleniskowych również nie zależy od pracy regeneracji WP. Należy podkreślić, że obniżenie temperatury wody zasilającej wpłynie jednak pośrednio na obniżenie temperatury powietrza za LUVO. W związku z tym należy się liczyć z koniecznością pracy przy nieznacznie wyższym współczynniku nadmiaru powietrza przy pracy bez regeneracji WP niż przy pracy z czynną regeneracją WP. Również zawartość części palnych w odpadach paleniskowych może być nieznacznie wyższa przy pracy bez regeneracji WP w stosunku do pracy z czynną regeneracją WP. Stąd można uznać, że przyjęte założenia upraszczające powodują, że wyniki obliczeń teoretycznych reprezentują maksymalne teoretyczne zwiększenie sprawności kotła w wyniku wyłączenia regeneracji WP, w praktyce nieosiągalne. Przed omówieniem otrzymanych wyników należy jeszcze podkreślić, że dla kotła BB1150 w rzeczywistości pracowały parowe podgrzewacze powietrza. Prezentowane wyniki zostały jednak przeliczone dla założenia, że parowe podgrzewacze powietrza nie pracują. Stąd na rysunku 6-b pokazano temperatury spalin niedopuszczalne ze względu na temperaturę punktu rosy. Przyjęty tok postępowania miał wykazać potencjalne efekty wyłączenia regeneracji WP dla kotła BB1150 przy założeniu, że parowe podgrzewacze powietrza nie muszą pracować. Dla wszystkich trzech przeanalizowanych przypadków otrzymano bardzo zbliżone wyniki pomiarów i obliczeń. Wyłączenie regeneracji WP przy niepracujących podgrzewaczach powietrza wpływa na obniżenie temperatury spalin za LUVO od 10 do 17 C, co przekłada się

5 na wzrost sprawności kotła o 0,5 do 1%. Najczęściej spotykaną wartością jest wzrost sprawności kotła o 0,5%. Obliczenia teoretyczne wykazały natomiast maksymalny możliwy do uzyskania teoretycznie wzrost sprawności kotła o 1 do 1,5%. Można zatem stwierdzić, że w praktyce nie występują sytuacje, w których wyłączenie regeneracji WP byłoby uzasadnione teoretycznie ze względu na sprawność wytwarzania bloku. Strata od strony turbozespołu jest w praktyce większa od pięciu do dwóch razy od zysku na kotle, a nawet obliczenia teoretyczne przy skrajnych założeniach wykazały, że zyski na kotle przy wyłączeniu regeneracji WP nie są w stanie przewyższyć strat od strony turbozespołu. Wpływ regeneracji WP na pracę elektrociepłowni Powyżej wykazano, że wyłączenie regeneracji WP dla danego obciążenia w praktyce zawsze będzie się wiązało ze wzrostem jednostkowego zużycia energii chemicznej paliwa. W przypadku elektrociepłowni, przy dodatkowym warunku braku ograniczeń ze strony wydajności cieplnej kotłów, wyłączenie regeneracji umożliwia jednak wzrost mocy cieplnej bez konieczności włączania dodatkowych urządzeń. Włączenie kotłów wodnych zawsze będzie mniej opłacalne od wyłączenia regeneracji. Również włączenie dodatkowego turbozespołu w przypadku, gdy tę samą moc cieplną można uzyskać poprzez pracę mniejszej liczby turbozespołów z wyłączoną regeneracją będzie nieopłacalne. W takim przypadku zysk z większego obciążenia turbozespołów przewyższy straty wynikające z wyłączenia regeneracji. Należy przy tym pamiętać, że jednostkowe zużycie ciepła turbozespołu w zakresie obciążeń od maksymalnego do minimalnego zwiększa się o od 10 do 20%. Przykładowo zastąpienie pracy dwóch turbozespołów pracujących z obciążeniem 100% trzema turbozespołami pracującymi z obciążeniem 66% da stratę o co najmniej 4%, a strata z wyłączenia regeneracji WP jest na poziomie około 2,5%. Dlatego przy pracy elektrociepłowni przy wzroście zapotrzebowania na ciepło i braku ograniczeń technicznych najpierw należy ograniczać pracę regeneracji WP a dopiero w drugiej kolejności załączać dodatkowe urządzenie. Należy przy tym pamiętać, że potencjalne zyski dla elektrociepłowni z wyłączenia regeneracji WP powstają dopiero gdy spadek temperatury wody zasilającej nie wpływa na ilość wytwarzanej w kotłach pary, to znaczy gdy nie ma ograniczeń ze strony wydajności cieplnej kotłów. Podsumowanie W artykule omówiono zagadnienia związane z wpływem pracy regeneracji wysokoprężnej na wskaźniki pracy turbozespołu i kotła. Wykazano, że wyłączenie regeneracji WP dla typowych turbozespołów przyniesie wzrost jednostkowego zużycia ciepła przez turbozespół na poziomie od 1,35% do ponad 3%. Wpływ wyłączenia regeneracji WP na pracę kotła jest różny. Przy konieczności pracy parowych podgrzewaczy powietrza wyłączenie regeneracji WP generuje dodatkowe straty poprzez wzrost parowych potrzeb własnych. Przy pracy bez zasilania parowych podgrzewaczy powietrza wyłączenie regeneracji WP prowadzi przeciętnie do wzrostu sprawności kotła o 0,5%. Obliczenia teoretyczne wykazały, że wzrost sprawności kotła w wyniku wyłączenia regeneracji WP może maksymalne wynieść nawet 1,5%.

6 Stwierdzono, że w praktyce nie występują sytuacje, w których wyłączenie regeneracji WP byłoby uzasadnione ze względu na sprawność wytwarzania bloku. Strata na turbozespole związana z wyłączeniem regeneracji WP jest większa od pięciu do dwóch razy w stosunku do zysku na kotle. Korzyści z wyłączenia regeneracji WP mogą wystąpić jedynie w pracy elektrociepłowni, gdy przy braku ograniczeń ze strony wydajności cieplnej kotłów wyłączanie regeneracji zastępuje włączanie urządzeń szczytowych lub dodatkowych turbozespołów. W tym przypadku wyłączenie regeneracji WP powoduje wzrost mocy cieplnej, który może zaspokoić dodatkowe zapotrzebowanie na ciepło użytkowe. Pełna wersja artykułu z rysunkami dostępna on-line Literatura [1] PN-93/M35500: Metodyka obliczania zużycia paliwa do wytwarzania energii elektrycznej, cieplnej i mechanicznej. [2] PN-EN : Kotły wodnorurkowe i urządzenia pomocnicze. Część 15: Badania odbiorcze. [3] PN-EN : Wymagania dotyczące cieplnych badań odbiorczych turbin parowych. Metoda B. Szeroki zakres dokładności dla różnych typów i wielkości turbin parowych, [4] ANSI/ASME PTC 6A-1982: Appendix A to Test Code for Steam Turbines. Numerical Examples of Various Turbine Calculations. [5] Wyniki prac realizowanych w ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. (niepubl.).