analiza możliwości zwiększenia produkcji energii elektrycznej w

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE
38, s. 11-18, Gliwice 2009
ISSN 1896-771X
ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZWIĘKSZENIA PRODUKCJI ENERGII
ELEKTRYCZNEJ W ELEKTROCIEPŁOWNI
KRZYSZTOF BADYDA, GRZEGORZ MACIEJ NIEWIŃSKI
Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Warszawska
e-mail: [email protected]
[email protected]
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 OP230 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 90. modernizacji w miejsce trzech spośród kotłów OP-230 zbudowane zostały
dwie nowoczesne jednostki kotłowe o wydajności po 450 t/h każda.
Kolejnym krokiem w ramach modernizacji jest zabudowa w EC nowych turbozespołów.
Pierwszy z nich został zainstalowany w grudniu 2005 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 200 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 0.25 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 = 0.128 bar przy temperaturze wody sieciowej obniżonej
do tws1 = 29°C oraz poborze pary z wylotu w granicach Gk = 120 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 = 8 607 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.
Moc elektryczna MW
1200
1000
800
400
350
moc cieplna 2006
moc cieplna 2007
moc elektr. 2006
moc elektr. 2007
200
Moc elektryczna MW
450
moc cieplna 2006
moc cieplna 2007
moc elektr. 2006
moc elektr. 2007
moc cieplna MW
1400
160
120
300
400
250
600
80
300
moc cieplna MW
400
200
0
0
200
100
0
200
40
150
100
0
120
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390
dni
150
180
210
dni
240
270
Rys. 3. Produkcja energii elektrycznej i ciepła przez EC w całym roku, oraz
w okresie letnim ( od 01-05 do 30-09)
90
90
2006
Twe wody sieciowej
Twy wody sieciowej
Strumieñ wody sieciowej
80
80
50
60
50
5000
40
4000
30
0
Temperatura 0C
10
3000
120
2000
4000
30
20
10
1000
0
0
150
180
dni 210
240
270
5000
40
3000
Temperatura 0 C
Strumie t/h
60
Strumie t/h
70
70
20
2007
Twe wody sieciowej
Twy wody sieciowej
Strumieñ wody sieciowej
120
2000
1000
0
150
180
210
dni
240
270
Rys. 4. Temperatura i strumień wody sieciowej na wlocie i wylocie z EC w okresie letnim
ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZWIĘKSZENIA PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ …
70
220
2006
2007
średnio 2006
średnio 2007
60
15
2006
2007
średnio 2006
średnio 2007
210
200
190
50
180
150
140
130
120
110
0
100
0
30
60
dni 90
120
150
Rys.5. Uporządkowany wykres poboru
strumienia pary do technologii w lecie
30
2006
2007
średnio 2006
średnio 2007
dni 90
60
120
150
Rys.7. Uporządkowany wykres strumienia
pary do wylotu turbiny w okresie letnim
2006
2007
średnio 2006
średnio 2007
8
pob r pary do kolektora
0.4 MPa t/h
0
30
12
20
10
0
0
strumie pary do podgrzewu
wody surowej t/h
10
t/h
20
160
pob r pary do technologii
30
strumie pary do
wylotu z turbiny t/h
170
40
4
0
30
60
dni 90
120
150
Rys.6. Uporządkowany wykres poboru
strumienia pary do kolektora
odgazowywaczy w okresie letnim
0
30
60
dni 90
120
150
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 4000 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 120 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 0.124 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 108% 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 3 500 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 370 000 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 108% – 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 370 000 MWh, co stanowi wzrost o około 130% 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, 1990.
2. Bernat D.: Budowa symulatora cyfrowego maszynowni elektrociepłowni kolektorowej.
Praca dyplomowa magisterska. Warszawa : Pol. Warsz., 2006.
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.