Wpływ regeneracji na pracę jednostek wytwórczych

Wpływ regeneracji na pracę jednostek wytwórczych

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, 23−25 kwietnia 2012 r.
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:
QJ 
gdzie:
Q
–
M –
ΔHWZ−
N
–
ΔNR –
Q  M  HWZ  106
N  NR
zużycie ciepła przez turbozespół, GJ/h;
zużycie pary przez turbozespół, t/h;
przyrost entalpii wody zasilającej po wyłączeniu regeneracji WP, kJ/kg;
moc turbozespołu, MW;
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-200-5. 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%,
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-200-5 (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 45 – 25°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-200-5 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.
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
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%.
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 12952-15: Kotły wodnorurkowe i urządzenia pomocnicze. Część 15: Badania
odbiorcze.
[3] PN-EN 60953-2: Wymagania dotyczące cieplnych badań odbiorczych turbin parowych.
Metoda B. Szeroki zakres dokładności dla różnych typów i wielkości turbin parowych,
2000.
[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.).