Оценка технико-экономической эффективности модернизации ГТУ-ТЭС с использованием парогазовой технологии

ГТУ «Циклон» являются современными и мощными промышленными газовыми турбинами. От отечественных энергоустановок, созданных на базе конвертированных авиационных или судовых ГТД, их отличает незначительное снижение электрического кпд (не более 3,5%) на частичных нагрузках (разгрузка — до 75%). При этом уменьшение располагаемой теплоты уходящих из ГТУ газов несущественно и практически не влияет на выработку тепловой энергии за счет утилизации.

Возможность работы газотурбинной энергоустановки «Циклон» в режимах частичной нагрузки с практически неизменным электрическим кпд стала определяющим фактором при выборе основного оборудования для данных условий.

Поскольку температура уходящих газов ГТУ «Циклон», как и других типов газовых турбин, зависит от температуры наружного воздуха и уменьшается при ее снижении, то в качестве расчетного был принят зимний режим работы ПГЭС, при tHB = -30°С, характеризующийся минимальной выработкой тепловой энергии в утилизационном котле.

На ПГЭС предусмотрено размещение 4 блоков ГТУ с ПКУ с дожигающим устройством. Принята схема ПГЭС с поперечными связями. От паровой магистрали питаются две паровые турбины (ПТ). Общая (установленная) электрическая мощность ПГЭС составляет около 71,6 МВт.

 

Электрические нагрузки предприятия по этапам и их обеспечение Таблица 1
Этап	Вводимая установлен, мощность NycT ПГУ-КЭС, МВт	Нормальный режим работы			Ремонтный и авар. режим работы
		Кол-во установок	Требуемая мощность, Ns, МВт	Обеспечение, МВт	Кол-во установок	Требуемая мощность '"1-й кат.	Обеспечение, МВт
				% загрузки ГТУ
							% загрузки
I	38,7	3-ГТУ	29,524	30,186	2	24,592	25,8
				78%			100%
II	61,6	4-ГТУ 1-ПТ	54,964	55	4	50,032	50,16
				87,2%			103%
III	71,6	4-ГТУ 2-ПТ	62,270	62,3	5	57,338	58,7
				82%			100%

 

Размещение неработающей (резервной) энергоустановки не предусмотрено — принята схема электростанции с использованием «ненагруженного» резерва.

Схемы с энергоустановками, находящимися в «холодном» резерве, существенно увеличивают эксплуатационные затраты. Каждый пуск ГТУ значительно увеличивает время наработки газовой турбины (в эквивалентных часах). Запуск газовой турбины занимает от 3 до 15 минут (фактическое время), пуск парового котла-утилизатора — на порядок дольше, что недопустимо при обеспечении питания потребителей 1-й категории надежности.

Схемы с использованием «горячего» резерва, когда резервные установки постоянно находятся в режиме холостого хода, являются более динамичными и надежными, но также требуют дополнительных капиталовложений в ГТУ. Время набора номинальной мощности установки с режима холостого хода меньше продолжительности ее пуска из холодного состояния. Но длительность нагружения котла-утилизатора до номинальных параметров пара существенно превышает нормативное время перерыва в энергоснабжении потребителей 1-й категории.

МР-Энерго-Строй предлагает использование «ненагруженного» резерва, т.е. работа всех ГТУ на 80-85% от номинальной мощности, паровых турбин — на полной мощности. Требуемая для паровых турбин выработка пара в котлах-утилизаторах обеспечивается за счет дожигания топлива.

Общее количество энергогенерирующих установок ПГЭС составляет шесть единиц: четыре ГТУ и две ПТ. При аварийном или плановом останове одного из шести энергоисточников оставшиеся в работе газовые турбины автоматически выводятся на режим номинальной мощности (загрузка 100%) в течение 2-3 секунд, и ПГЭС полностью покрывает нагрузку потребителей 1-й категории.

Кроме того, завод резервируется сетями РАО ЕЭС. Таким образом, несмотря на незначительное снижение кпд установок, предлагается надежная, гибкая и динамичная (быстрый сброс и набор нагрузки) схема энергоснабжения потребителей завода. Потребители 1-й категории при этом получают двойное резервирование. Для обеспечения трехкратного резервирования особой группы первой категории предусматривается установка аккумуляторных батарей.

Строительство электростанции, как и реконструкцию завода, предполагается осуществить в три этапа (табл. 1). На первом этапе планируется ввод трех ГТУ с паровыми котлами-утилизаторами, на втором — ввод одной ГТУ с ПКУ и одной ПТ, на третьем этапе — ввод последней паровой турбины.

Покрытие нагрузок 1-й категории (24,592 МВт первый этап, 57,338 МВт — третий этап) на первом и третьем этапах не составляет проблем. На первом этапе, при выводе из строя одной из трех газовых турбин, мощность двух оставшихся ГТУ автоматически доводится до 100%. На третьем этапе, при выводе из строя ПТ (10 МВт), 100%-я мощность оставшихся установок составит 61,6 МВт (> 57,338 МВт). При выводе из строя ГТУ (12,9 МВт) 100%-я мощность оставшихся установок составит 58,7 МВт (> 57,338 МВт), но при этом необходимо увеличить количество дожигаемого топлива для обеспечения паром двух паровых турбин.

На втором этапе исполнения проекта планируемая мощность для обеспечения потребителей 1-й категории составляет 50,032 МВт. При выводе из строя паровой турбины, 100%-я мощность оставшегося оборудования составляет 61,6 МВт (> 50,032 МВт). Этим обеспечивается не только 1-я категория, но и полная нагрузка завода.

При выходе из строя ГТУ 100%-я мощность составит 48,7 МВт (< 50,032 МВт), поэтому оборудование будет работать с некоторой перегрузкой. В зимнее время за счет снижения температуры наружного воздуха увеличение мощности ГТУ возрастает до 14,126 МВт, и ее дефицит для потребителей 1-й категории полностью покрывается. В летний период дефицит покрывается за счет перегрузки паровых турбин на 10% от номинальной мощности, что является допустимым в течение длительного времени для турбин такого типа. Дополнительная выработка пара достигается за счет дополнительного дожигания топлива ПКУ.

 

Основные технические характеристики оборудования и ПГЭС Таблица 2
Газотурбинная установка (при tHB= +15°C и 100%-м нагружении)
Тип	Cyclone
Производитель	Компания Alstom
Мощность электрическая, МВт	12,9
Расход природного газа (при Qhp=48200 кДж/кг), кг/с	0,755
Температура выхлопных газов, °С	560
Расход выхлопных газов, кг/с	49,0
КПД, %	34,5
Количество, шт.	4
Паровой котел-утилизатор (при tHB = -30°С)
Тип	Горизонтальный
Параметры свежего пара: - давление, кг/см2 - температура, °С	14 250
Производительность с дожитом, т/ч	33-34
Паровая турбина
Тип	К-10-1,3
Производитель	ОАО «Невский завод»
Параметры свежего пара: - давление, кгс/см2 - температура, °С	13 220
Расход пара через турбину, т/ч	65,0
Номинальная электрическая мощность, МВт	10,0
Количество, шт.	2

 

Ввиду отсутствия отечественных серийно выпускаемых котлов для ГТУ «Циклон» проведен предварительный расчет паропроизводительности ПКУ на основе метода тепловых балансов. Расчеты ПКУ, паровой турбины и тепловой схемы ПГЭС выполнены научно-исследовательской лабораторией «Газотурбинные и парогазовые ТЭС» Московского энергетического института под руководством к.т.н. Бурова В.Д.

В качестве ПКУ принят комбинированный горизонтальный котел-утилизатор, вырабатывающий пар с параметрами 14 кгс/см2/250°С.

Регулирование тепловой мощности КУ предусмотрено как за счет байпасирования высокотемпературных выхлопных газов ГТУ, так и за счет дожигания топлива.

В ПГЭС принята тепловая схема с поперечными связями (рис. 1). Все ПКУ выдают острый пар в обитую магистраль, куда подсоединены паровые турбины. Питательная вода после деаэраторов также подается в общестанционный коллектор питательной воды и далее на экономайзер ПКУ.

Предлагаемая технологическая схема ПГЭС позволяет сооружать и вводить в эксплуатацию оборудование как очередями, так и поагрегатно.

В качестве основного топлива ПГЭС принят природный газ по ГОСТ 5542-87, который подается из газопровода высокого давления 25 кгс/см2 (изб).

В качестве аварийного топлива ПГЭС предусмотрено жидкое (дизельное) топливо по ГОСТ 305-82. Пополнение расходных резервуаров жидкого топлива осуществляется по трубопроводу от склада готовой продукции НПЗ.

В состав предлагаемой ГТУ «Циклон» электрической мощностью 12,9 МВт (16,1 МВА) входит электрогенератор на напряжение 6,3 кВ с бесщеточной системой возбуждения, режим работы — с изолированной нейтралью. Охлаждение генератора — воздушное, разомкнутого цикла.

Паровые турбины типа К-10-1,3 производства ОАО «Невский завод» (С.-Петербург) оснащены отечественными генераторами Т-12-2 (ОАО «Привод», г. Лысьва).

Главной схемой ПГЭС предусмотрена работа шести генераторов на 2-секционное общестанционное комплексное устройство 6 кВ: четыре генератора с приводом от ГТУ (по две на каждую секцию -Gl, G2, G3. G4); два генератора с приводом от ПТ (G5, G6) устанавливаются на разные секции. Для выравнивания нагрузок на секции к каждой из них подключается по одному генератору от паровой турбины и по два генератора от ГТУ.

Комплексное распределительное устройство КРУ — 6кВ предназначено для приема и передачи электроэнергии от генераторов и состоит из ячеек К-105М внутренней установки. Электродинамическая стойкость КРУ принята 125 кА, с током отключения выключателей 40 кА. Элегазовые выключатели КРУ-6 расположены на выкатных тележках.

Главной схемой предусмотрено оперативное переключение двух энергоблоков G5 и G6 на одну из двух секций общестанционного КРУ-бкВ. По условиям динамической стойкости распределительного устройства допускается параллельная работа с энергосистемой не более трех энергоблоков мощностью 12,9 МВт.

При параллельной работе с энергосистемой часто возникают трудности в соблюдении динамической устойчивости работы энергоисточника. Для определения возможности параллельной работы энергоисточника (ПГЭС) и энергосистемы необходим расчет статической и динамической устойчивости — подобные расчеты выполняются на стадии проекта.

Для защиты энергоисточника от аварийных ситуаций в энергосистеме, как правило, предусматривается установка делительной автоматики и быстродействующих защит, которые позволяют при возмущениях в сети отключиться от энергосистемы и работать автономно на сбалансированную нагрузку.

Все основное оборудование предполагалось устанавливать в главном корпусе. Компоновка главного корпуса на нулевой отметке приведена на рис. 2.

Благодаря широкому применению отечественного оборудования (паровые котлы, паровые турбины, другое вспомогательное оборудование и комплектующие), удельные капиталовложения в ПГЭС с зарубежными газотурбинными установками (ГТУ «Циклон», Siemens) составляют 870 $/кВт.

Предварительная оценка экономических показателей строительства электростанции (без учета инфляционных процессов) показала простой» срок окупаемости инвестиционного проекта около 6,3 года.

Для повышения тепловой и экономической эффективности конденсационной парогазовой электростанции ПКУ можно оснастить газовыми подогревателями сетевой воды. Такое техническое решение позволяет выработать на ПГЭС с комбинированными утилизационными котлами дополнительно 16...20 Гкал*ч тепловой энергии (горячей воды - 11О...7О°С).

 

Реконструкция паротурбинных электростанций - эффективный путь перевооружения энергетики.

 

Ю.И. Шаповалов - ОАО ТКЗ «Красный котельщик»

Современные газовые турбины работают с температурой газов на входе более 1ОООТ. Температура газов за турбинами достигает 600 С. Это открывает широкую перспективу реконструкции паротурбинных электростанций с использованием тепла выхлопных газов ГТУ. К одному из проектов, основанных на этом принципе, можно отнести реконструкцию котла ПК-38 для Березовской ГРЭС, осуществленную на таганрогском заводе «Красный котельщик».

В 1997 году предприятие «Бел-НИПИэнергопром» предложило таганрогскому заводу выполнить проект по реконструкции котла ПК-38 Березовской ГРЭС в низконапорный парогенератор для работы в парогазовом цикле.