Параметрический анализ схемы парогазовой установки с комбинацией трех циклов для повышения КПД при работе в северных газодобывающих районах

Abstract

Актуальность. Парогазовые установки рассматриваются как одно из перспективных направлений развития теплоэнергетических установок, работающих на природном газе. Интерес к их внедрению в России объясняется большими запасами природного газа, низкими капиталовложениями и минимальными выбросами вредных веществ в окружающую среду. Из термодинамики известно, что для достижения высокого КПД цикла необходимо иметь высокую температуру подвода теплоты и низкую температуру ее отвода, а также обеспечить работу оборудования с минимальными внутренними потерями и иметь рациональную тепловую схему взаимосвязи оборудования в цикле. На современном этапе максимальная температура подвода теплоты в камере сгорания газотурбинной установки при существующих конструкционных материалах и способах охлаждения элементов турбины достигла 1600 °С, а температура отвода теплоты в конденсаторе при работе цикла Ренкина на воде по условиям экономичности не может быть ниже 15 °С. При этих условиях на наиболее совершенных трехконтурных парогазовых установках с промежуточным перегревом пара достигнут электрический КПД 63 %. Для цикла Ренкина при работе на воде температура конденсации пара по условию замерзания должна быть выше 0 °С. Для парогазовой установки при работе в условиях низких среднегодовых температур окружающей среды, что характерно для России и особенно отдаленных северных районов добычи газа, можно отводить теплоту в цикле Ренкина значительно ниже 0 °С, но это надежно можно выполнить только применяя конденсаторы с воздушным охлаждением, если в качестве рабочего тела в цикле Ренкина использовать органическое рабочее тело. Недостатком современных органических рабочих тел является низкая предельная температура их термического разложения, которая составляет 300…400 °С. Объект: парогазовые установки с циклами на трех рабочих телах, где верхний цикл Брайтона работает на продуктах сгорания природного газа, средний – цикл Ренкина – работает на воде и водяном паре в интервале температур 100…650 °С, а нижний – Органический цикл Ренкина – работает на органических рабочих телах в интервале температур –30…250 °С. Цель: выбор рациональной технологической схемы парогазовой установки c применением циклов на трех рабочих телах и воздушного конденсатора для возможности надежного отвода теплоты от органического рабочего тела при температуре ниже 0 °С и определение оптимальных параметров циклов. Методы. Сложные теплоэнергетические системы, включая парогазовые установки, характеризуются многообразием процессов, протекающих в их элементах. Такие установки можно эффективно исследовать только с помощью методов математического моделирования и оптимизации. При проведении исследований в данной работе использован системный подход, методы энергетических балансов и расчет термодинамических и теплофизических параметров рабочих тел с помощью современных сертифицированных программ. Результаты. Разработана оригинальная схема парогазовой установки утилизационного типа с циклами на трех рабочих телах, где верхний цикл Брайтона работает на продуктах сгорания природного газа, средний цикл Ренкина работает на воде и водяном паре, нижний – Органический цикл Ренкина – работает на органическом рабочем теле с конденсацией его в воздушном конденсаторе. Разработана математическая модель и программа расчета предложенной схемы. Определено наиболее эффективное органическое рабочее тело для нижнего цикла Ренкина. Проведен параметрический анализ влияния основных параметров циклов на КПД брутто и нетто парогазовой установки.

The relevance. Combined-cycle gas turbines are considered as one of the promising directions in development of thermal power plants operating on natural and synthesis gas. The interest in their introduction in Russia is caused by large reserves of natural gas, low capitalinvestment and minimal emissions of harmful substances into the environment. It is known from thermodynamics that in order to achieve high cycle efficiency, it is necessary to have a high heat supply temperature and low heat removal temperature, and to ensure equipment operation with minimal internal losses, and to have a rational thermal scheme of equipment interconnection in a cycle. At the present stage, the maximum temperature of heat supply in the combustion chamber of a gas turbine installation with existing structural materials and methods for cooling turbine elements has reached 1600 °C, and heat removal temperature in the condenser during the operation of the Rankine cycle on water cannot be lower than 15 °C. Under these conditions, the electric efficiency of 63 % is achieved at the most advanced three-loop combined-cycle gas turbine with intermediate superheating of steam. For the Rankine cycle when working on water, the condensation temperature of the steam should be above 0 °C according to the freezing condition. For a combined-cy-cle plant, when operating in conditions of low average annual ambient temperatures, which is typical for Russia and especially remote northern gas production areas, heat can be removed in the Rankine cycle well below 0 °C, but this can be done reliably only by using air-cooled condensers, if an organic working body is used as a working body in the Rankine cycle. The disadvantage of modern organic working fluid is the low limiting temperature of their thermal decomposition, which is usually below 300...400 °C. Subject of the research is combined-cycle plants with cycles on three working bodies, where the upper cycle of a gas turbine unit operates on gas combustion products, the middle cycle of a steam turbine unit operates on water and steam in the temperature range of 100…650 °C, and the lower cycle - Organic Rankine cycle operates on organic working fluid in the range of temperatures -30…200 °С. The aim of the study is the choice of a rational technological diagram of a combined-cycle plants using cycles on three working bodies and an air condenser to enable reliable heat removal from the organic working fluid at temperature below 0 °C and to determine the optimal parameters of the cycles. Methods. Complex heat and power systems, including steam and gas installations, are characterized by a variety of processes occurring in their elements. Such installations can be effectively investigated only with the help of mathematical modeling and optimization methods. When conducting research the authors have applied a systematic approach, methods of energy balances and the calculation of thermodynamic and thermophysical property of working bodies using modern certified programs. Results. The authors developed the original diagram of a combined-cycle gas turbine unit with cycles on three working bodies. In this diagram, the Brighton upper cycle operates on combustion products of natural gas, the average Rankine cycle operates on water and water vapor, the lower - Organic Rankine cycle operates on organic working fluid with condensation in an air condenser. The mathematical model and a program for calculating the proposed scheme was developed. The authors carried out the parametric analysis of the cycles main parameters influence on the efficiency and power of the combine cycle gas turbine and determined the most effective organic working fluid for the lower Rankine cycle.