MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN 1896-771X 38, s. 11-18, Gliwice 29 ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZWIĘKSZENIA PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ W ELEKTROCIEPŁOWNI KRZYSZTOF BADYDA, GRZEGORZ MACIEJ NIEWIŃSKI Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska e-mail: badyda@itc.pw.edu.pl grzeniew@itc.pw.edu.pl Streszczenie. W artykule przedstawiono możliwość zwiększenia produkcji energii elektrycznej, w okresie letnim, w elektrociepłowniach zawodowych, wyposażonych w turbiny ciepłownicze. Przeanalizowano typowe warunki pracy i dokonano oszacowania możliwości dociążenia rozpatrywanego obiektu. Zaprezentowano koncepcję budowy matematycznego modelu przeciwprężnego turbozespołu parowego oraz przeprowadzono symulację produkcji energii elektrycznej dla istniejącego i nowobudowanego turbozespołu parowego w nowych warunkach pracy. 1. WSTĘP W rejonie północno-wschodniej Polski w ostatnich kilku latach pogłębia się w okresie letnim deficyt mocy elektrycznej. Z tego względu, prócz budowy nowych mocy, celowe jest rozpatrzenie możliwości zwiększenia zdolności produkcyjnych energii elektrycznej w istniejących już instalacji energetycznych, zwłaszcza elektrociepłowniach, w których istnieją potencjalnie duże rezerwy. Wytwarzanie energii elektrycznej z jednoczesną produkcją ciepła użytecznego w elektrociepłowniach zawodowych wyposażonych w turbiny ciepłownicze pozwala, z jednej strony, na lepsze wykorzystanie energii pierwotnej niż oddzielna ich produkcja w elektrowni kondensacyjnej i ciepłowni. Z drugiej zaś, generowana energia elektryczna traktowana jest w pewnym sensie jak produkt uboczny i przebieg jej zmienności zależny jest od ilości wytwarzanego ciepła [1]. Ścisła zależność osiągalnej mocy elektrycznej od obciążenia ciepłowniczego stanowi istotną wadę elektrociepłowni, zwłaszcza w okresie poza sezonem grzewczym, kiedy istnieje stosunkowo niewielkie zapotrzebowanie na ciepło użytkowe. Problem ten w znacznym stopniu zostaje ograniczony w przypadku obiektów wyposażonych w turbiny upustowo-kondensacyjne lub turbiny ciepłownicze wyposażone w dodatkowe wymienniki woda woda do dochładzania (ewentualnie wspomaganego recyrkulacją) wody sieciowej celem powiększenia w okresie letnim odbioru ciepła z wykorzystaniem pseudokondensacji.
12 K. BADYDA, G. M. NIEWIŃSKI 2. CHARAKTERYSTYKA WYBRANEGO OBIEKTU Rozważany w pracy obiekt to jedna z pierwszych powojennych elektrociepłowni. W podstawowej części układu technologicznego obiekt zbudowano w układzie kolektorowym i wyposażono początkowo w osiem wysokoprężnych kotłów parowych typu OP23 oraz osiem upustowo kondensacyjnych turbin typu WT-25 produkcji byłego ZSRR (sześć jednostek) i ich polskich odpowiedników TC25 (dwie pozostałe). W ramach rozpoczętej w połowie lat 9. modernizacji w miejsce trzech spośród kotłów OP-23 zbudowane zostały dwie nowoczesne jednostki kotłowe o wydajności po 45 t/h każda. Kolejnym krokiem w ramach modernizacji jest zabudowa w EC nowych turbozespołów. Pierwszy z nich został zainstalowany w grudniu 25 roku. Zgodnie z założeniami przyjętymi przy podjętej wówczas inwestycji turbozespół ten posiada możliwość pracy w układzie kolektorowym, alternatywnie możliwa jest współpraca w układzie blokowym z jednym z kotłów. Wielkość generowanej przez turbozespół mocy elektrycznej uzależniona jest od parametrów (przepływ i temperatura) wody sieciowej, poboru pary technologicznej do kolektora pary technologicznej i poboru pary do kolektora, z którego są zasilane, istniejące w elektrociepłowni, wymienniki ciepłownicze. Maksymalna moc elektryczna turbiny wynosi około 97 MW, natomiast moc cieplna około 2 MW. Schemat cieplny turbozespołu z zaznaczonymi najważniejszymi powiązaniami z układem technologicznym EC zaznaczono na rys. 1. Rys.1. Uproszczony schemat cieplny rozważanego turbozespołu z zaznaczonymi odbiorami ciepłowniczymi i technologicznymi pary Budowa kolejnego, identycznego co do budowy oraz przewidywanych zadań w układzie technologicznym EC, turbozespołu jest obecnie w trakcie realizacji. Przy obecnym zapotrzebowaniu na ciepło oraz parę technologiczną w okresie poza sezonem grzewczym, w normalnej sytuacji ruchowej, nie ma możliwości pełnego wykorzystania możliwości obu
ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZWIĘKSZENIA PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ 13 maszyn do produkcji energii elektrycznej. Ilość odbieranej pary okresami jest zauważalnie niższa od przełyku turbiny. Przewidywany do zabudowy (względnie zamiennie używany) turbozespół będzie więc mógł być wykorzystywany przy obecnym układzie powiązań technologicznych jedynie w okresach zwiększonego zapotrzebowania na ciepło, zasadniczo w sezonie grzewczym, ewentualnie w okresie przejściowym. 2.1 Ograniczenia pracy dla turbozespołu przy obniżonej temperaturze wody sieciowej Nowe maszyny skonstruowane zostały jako turbiny przeciwprężne, przystosowane do pracy z pogorszoną próżnią. Skutkiem przyjętych założeń oraz rozwiązania konstrukcyjnego są nałożone przez producenta ograniczenia współpracy układu turbinawymiennik ciepłowniczy. Ich ilustrację stanowi rys. 2. Zgodnie z tym zaleceniem ciśnienie pary wylotowej nie powinno być niższe niż.25 bar. Odpowiada to temperaturze nasycenia 65 C. Przy wysokim strumieniu pary kierowanej na wylot wymagane minimalne ciśnienie za turbiną wzrasta. Z uwagi na pracę w warunkach pseudokondensacji jest to ograniczenie bardzo surowe, prowadzące do wysokiego jednostkowego zużycia ciepła. Rys.2. Nałożone przez producenta ograniczenia eksploatacyjne na wartość ciśnienia za turbiną w funkcji strumienia masy pary kierowanego do wylotu Przystępując do realizacji niniejszego zadania, należało się zwrócić do producenta turbiny o możliwości złagodzenia ww. ograniczeń pod kątem obniżenia temperatury wody sieciowej zasilającej wymiennik podturbinowy do najniższego możliwego poziomu. W odpowiedzi uzyskano bilans turbozespołu przy obniżonym ciśnieniu wylotowym (zwanym dalej BTOCW) do poziomu pk =.128 bar przy temperaturze wody sieciowej obniżonej do tws1 = 29 C oraz poborze pary z wylotu w granicach Gk = 12 t/h. Odłączone są wszystkie odbiory technologiczne, turbozespół nie realizuje zadania podgrzania wody surowej. Moc uzyskiwana w takich warunkach to Nel = 99 MW, jednostkowe zużycie ciepła q = 11 116 kj/kwh [3]. Omawiany stan pracy odpowiada maksymalnemu możliwemu obciążeniu wylotu turbiny strumieniem pary wylotowej przy wskazanym ciśnieniu. Z tego powodu dalszy odbiór pary z turbiny musi być realizowany drogą poboru z upustu V (regulowanego), dzięki czemu woda sieciowa podgrzewana jest do końcowej temperatury tws3 = 73 C. Przy wyższym przepływie przez ostatnią grupę stopni wymagane jest podwyższanie ciśnienia wylotowego. W dalszych rozważaniach, jako warunek ograniczający obciążenie
14 K. BADYDA, G. M. NIEWIŃSKI ostatniej grupy stopni turbiny dla stanów pracy innych niż podany w BTOCW, przyjmowane będzie: G H (G H)max (1) gdzie: (G H)max = 8 67 kw jest iloczynem strumienia masy przepływającej pary oraz spadku izentropowego odpowiadającym maksymalnemu obciążeniu grupy 3 ANALIZA WARUNKÓW PRACY ROZWAŻANEGO TURBOZESPOŁU Jako podstawę do dalszych analiz typowych warunków pracy EC i turbiny przyjęto dane historyczne z dwóch wybranych lat. Ich celem jest określenie możliwych do uzyskania w okresie poza sezonem grzewczym dodatkowych możliwości produkcji energii elektrycznej z turbozespołu istniejącego oraz planowanego do zabudowy. Na rys. 3 przedstawiona została produkcja ciepła i skojarzonej z nim energii elektrycznej w EC w rozważanym okresie. Na rysunkach 4 7 przedstawiono w formie uporządkowanej wybrane parametry charakteryzujące warunki pracy rozważanej turbiny. 14 12 1 8 moc cieplna 26 moc cieplna 27 moc elektr. 26 moc elektr. 27 Moc elektryczna MW 45 4 35 3 moc cieplna MW moc cieplna 26 moc cieplna 27 moc elektr. 26 moc elektr. 27 Moc elektryczna MW 2 16 12 4 6 3 25 8 4 2 moc cieplna MW 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 39 dni 2 1 2 15 1 12 15 18 21 24 27 dni Rys. 3. Produkcja energii elektrycznej i ciepła przez EC w całym roku, oraz w okresie letnim ( od 1-5 do 3-9) 4 9 8 26 Twe wody sieciowej Twy wody sieciowej Strumieñ wody sieciowej 9 8 27 Twe wody sieciowej Twy wody sieciowej Strumieñ wody sieciowej 7 7 6 5 4 3 2 1 Temperatura C 12 15 18 dni 21 24 27 Strumie t/h 5 4 3 2 1 6 5 4 3 2 1 Temperatura C 12 15 18 21 24 27 dni Rys. 4. Temperatura i strumień wody sieciowej na wlocie i wylocie z EC w okresie letnim Strumie t/h 5 4 3 2 1
ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZWIĘKSZENIA PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ 15 7 6 26 27 średnio 26 średnio 27 22 21 2 26 27 średnio 26 średnio 27 5 19 18 4 17 3 2 1 pob r pary do technologii t/h 3 6 dni 9 12 15 Rys.5. Uporządkowany wykres poboru strumienia pary do technologii w lecie 3 26 27 średnio 26 średnio 27 16 15 14 13 12 11 1 strumie pary do wylotu z turbiny t/h 3 6 dni 9 12 15 Rys.7. Uporządkowany wykres strumienia pary do wylotu turbiny w okresie letnim 12 26 27 średnio 26 średnio 27 2 8 1 pob r pary do kolektora.4 MPa t/h 3 6 dni 9 12 15 Rys.6. Uporządkowany wykres poboru strumienia pary do kolektora odgazowywaczy w okresie letnim 4 strumie pary do podgrzewu wody surowej t/h 3 6 dni 9 12 15 Rys. 7.Uporządkowany strumień masy pary z wylotu turbiny do podgrzewacza wody surowej 4 MODEL OBLICZENIOWY TURBOZESPOŁU Przygotowany do omawianych analiz model matematyczny oparty został na rozwiązaniu zadania bilansowego. Jego bazę stanowi przygotowana wcześniej praca [2]. Zastosowana metoda modelowania matematycznego układu cieplnego turbozespołu polega na podziale struktury na węzły bilansowe. Struktura węzłów przyjęta dla turbozespołu widoczna jest na rys. 8. Zakłada się, że przemiany termodynamiczne zachodzą tylko wewnątrz węzłów (zaznaczonych osłonami bilansowymi). Każdemu węzłowi bilansowemu odpowiada określony element układu technologicznego. Osłony pozwalają na jasny opis przepływów i ułatwiają budowę modelu matematycznego układu. Między elementami struktury występują dwa rodzaje przepływów. Przepływy bez masy zwane przepływami energii (np. między turbiną na generatorem) oraz przepływy masy występujące w większości połączeń. Każde połączenie ma swój początek, zwany też odpływem, któremu odpowiada numer ze znakiem minus umieszczony wewnątrz osłony bilansowej. Analogicznie, koniec połączenia, zwany dopływem, oznaczony jest numerem ze znakiem plus. Węzły, w których wszystkie dopływy i odpływy są przepływami energetycznymi (np. generator), nazywane są
16 K. BADYDA, G. M. NIEWIŃSKI energetycznymi, a pozostałe masowymi. Węzeł nr 31 na rys. 9 został stworzony w celu domknięcia struktury układu. Zadanie bilansowe służy do określania przepływów (strumieni pary i wody) w układzie cieplnym. Jest ono wykorzystywane do obliczeń znamionowych parametrów bloku oraz do analiz pracy układu w zmienionych warunkach pracy (ZWP). Przyjęty do obliczeń model został po stronie zadania bilansowego oparty na układzie 79 równań bilansowych (liniowych równań opisujących przepływy masy i energii). Wartości współczynników liczbowych w równaniach modeli turbin są zależne od ich stanu technicznego i mogą ulegać zmianom w czasie, na przykład na skutek zużycia układu łopatkowego lub zmian konstrukcyjnych. Prezentowany model został oparty na danych wyjściowych wynikających z bilansu przedstawionego przez producenta. Osiągi turbozespołu były przedmiotem pomiarów bilansowych, okazały się zgodne z założeniami. Przeprowadzone rozważania miały charakter studialny, dotyczą one turbiny eksploatowanej przez stosunkowo krótki okres oraz drugiej, planowanej do zabudowy. Z tego względu najbardziej miarodajne jest użycie do obliczeń programu opartego na założeniach (danych) producenta. Rys. 8. Schemat układu cieplnego turbozespołu z podziałem na węzły bilansowe przyjętym w modelu Na model turbozespołu składają się: model turbiny, modele (powierzchniowych) wymienników ciepła, modele pomp. przygotowane w postaci osobnych procedur, jednej dla wyznaczania parametrów znamionowych, drugiej dla symulacji pracy w warunkach zmienionych
ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZWIĘKSZENIA PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ 17 5 WYNIKI OBLICZEŃ PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ Oszacowania mocy osiągalnej dla turbozespołu w pracy z dociążeniem dokonano z wykorzystaniem sformułowanego w pracy modelu, przyjmując następujące warunki pracy turbiny: pobór pary świeżej zgodny z nominalną wydajnością kotłów, odbiór pary z upustu regulowanego: 34 t/h (odpowiadający średniej wartości dla wybranego okresu), odbiór pary na poziomie kolektora odgazowywaczy: 12 t/h (odpowiadający średniej wartości dla wybranego okresu), przepływ wody sieciowej równy 4 t/h, temperatura wody sieciowej na wlocie do wymiennika podturbinowego 29 C (w okresach gorących może to być temperatura wyższa, zależna od dobranego wymiennika), pobór pary do podgrzania wody surowej uznano za zerowy, odbiór pary na wylocie do wymiennika podturbinowego równy 12 t/h, regulacja turbiny prowadzona jest tak, aby utrzymać tę ilość pary (przy stałym wydatku wody sieciowej oraz stałej jej temperaturze 29 C wystarczy dotrzymanie ciśnienia w wymienniku równego.124 bar, pozostała ilość pary możliwej do wykorzystania na podgrzanie wody sieciowej trafia do wymiennika podstawowego zasilanego z upustu regulowanego, temperatura wody sieciowej na wylocie z wymienników podstawowych, zasilanych z upustu wartość wynikająca z aktualnych warunków pracy (podaży pary na wylocie i w upuście regulowanym). Wynikają one z typowych warunków pracy turbiny określonych dla lat wybranych lat oraz możliwości jej dociążenia po zabudowie układu dochładzania. 5.1 Oszacowanie dodatkowej produkcji energii elektrycznej Dodatkowa produkcja energii elektrycznej będąca wynikiem wprowadzenia możliwości pracy w okresie letnim bez skojarzenia dla jednego z turbozespołów została oszacowana na wzrost produkcji okresie od maja do września o 18% wartości wyjściowej, a w ciągu całego roku otrzymano wzrost o 19%. Dodatkowa produkcja energii elektrycznej będąca wynikiem dociążenia drugiego z turbozespołów (pracującego w skojarzeniu) pracą kondensacyjną wynika z różnicy pomiędzy obecnymi możliwościami pracy ciepłowniczej (dane historyczne) oraz pracy z udziałem kondensacji. Moc osiągalna turbozespołu obciążonego potrzebami technologicznymi jest niższa o około 3.5 MW niż dla warunków określonych przez BTOCW. Do oszacowania możliwości produkcyjnych w tym przypadku przyjęto średnią moc na poziomie około 85 MW. Produkcja energii elektrycznej odpowiadająca temu obciążeniu w czasie 3 5 godzin jest tylko nieznacznie mniejsza od wykazanej powyżej. Powoduje zwiększenie produkcji z poziomu bazowego (średnia z wybranych do rozważań lat) o około 22.5%. Łącznie jako górną granicę oszacowania dodatkowych możliwości produkcyjnych dla okresu od początku maja do końca września można przyjąć około 37 MWh rocznie. 6 PODSUMOWANIE Przedmiotem zrealizowanych prac było zbadanie możliwości zwiększenia produkcji energii elektrycznej w okresie poza sezonem grzewczym w elektrociepłowni zawodowej. 17
18 K. BADYDA, G. M. NIEWIŃSKI Omawiana koncepcja polega na zabudowie zestawu dwóch równoległych wymienników woda-woda, których zadaniem byłoby schładzanie wody sieciowej w zakresie temperatury 72 29 C. Dzięki temu w typowych warunkach ruchowych turbozespołu będzie możliwa produkcja energii elektrycznej z udziałem pracy pseudokondensacyjnej. Docelowo zakłada się zabudowę dwóch takich układów: dla istniejącego oraz planowanego do budowy turbozespołu. Dzięki temu jedna z turbin mogłaby pracować w układzie praktycznie czysto kondensacyjnym, druga zasilająca odbiory technologiczne i ciepłownicze mogłaby być pracą kondensacyjną dociążana. Dodatkowe możliwości produkcyjne analizowano dla okresu od początku maja do końca września, kiedy istnieją warunki do zasilania praktycznie wszystkich odbiorów ciepłowniczych i technologicznych z jednej z rozważanych turbin. Efekty w postaci dodatkowej produkcji energii elektrycznej oszacowano na: wzrost o 18% dla turbiny uruchamianej na okres letni dzięki stworzeniu warunków do pracy kondensacyjnej, wzrost o 22.5% produkcji bazowej dla turbiny, zasilającej odbiory ciepłownicze i technologiczne, dociążanej udziałem pracy kondensacyjnej. Łącznie dodatkowe (potencjalne) możliwości produkcyjne EC w okresie od początku maja do końca września wzrastają do około 37 MWh, co stanowi wzrost o około 13% w stosunku do średniej produkcji energii elektrycznej z okresu wybranego do porównania. Rzeczywiste możliwości produkcyjne będą zapewne dla obu rozważanych przypadków znacząco mniejsze (ograniczenie produkcji do okresów zapotrzebowania szczytowego). Dodatkowe możliwości produkcji energii elektrycznej w pracy pseudokondensacyjnej mogą wystąpić także poza rozpatrywanym okresem letnim. LITERATURA 1. Laudyn D., Pawlik M., Strzelczyk F.: Elektrownie. Warszawa : WNT, 199. 2. Bernat D.: Budowa symulatora cyfrowego maszynowni elektrociepłowni kolektorowej. Praca dyplomowa magisterska. Warszawa : Pol. Warsz., 26. 3. Bilans turbozespołu przedstawiony przez producenta dla pracy z maksymalnym dochłodzeniem wody sieciowej. THE ANALYSIS OF THE POSSIBILITY TO INCREASE ELECTRICITY GENERATION IN THE CHPP Summary. The capability to increase the electric power generation in combined heat and power plants during the summer period is presented in the paper. Typical operating conditions are analysed and capability to increase the load is estimated. A concept of counter-pressure turbine unit mathematical model was formulated in this work. It was used for calculations of changed operating conditions of an existing turbine system and of one under construction.