Возможная схема использования утилизатора газотурбинной установки (ГТУ)

Аудиторские обследования энергетического хозяйства предприятий магистральных газопроводов (ЛПУ СПХГ) показали, что наиболее заметный экономический эффект и наибольшее снижение расхода газа на собственные нужды можно получить при модернизации системы утилизации и регенерации тепловой энергии ГТУ.

В настоящее время, утилизаторы ГПУ утилизируют теплоту уходящих газов ГПА, как правило, для нагрева теплофикационной воды, т е. в отопительный период. В меж отопительный период утилизаторы приходится отключать. И в зимний период они используются, далеко не объёме установленной мощности.

В целях снижения расхода газа на собственные нужды газоперекачивающих станций, целесообразно уделить внимание реализации предложений, позволяющих использовать утилизаторы ГПА в течение всего года с максимально возможной нагрузкой и предложениям, повышающим коэффициент регенерацииГТУ.

Если, по конструктивным соображениям, нагрев воздуха или газа не возможен, можно ограничиться нагревом одного из них.

• сократить расход энергии на компрессорный воздух;
• улучшить характеристики продуктов сгорания, как рабочего тела;
• повысить мощность или экономичность ГТУ.

Положительный опыт работы газовых турбин с подачей пара в камеру сгорания в имеется и в нашей стране, и за рубежом (1.. 2, 3. ).

Описание проекта

Предлагаемая принципиальная схема ГТУ с возможной утилизацией тепла выхлопных газов в неотопительный период, показана на рис.1.

Новым элементом, по отношению к типовой схеме, являются расширитель-сепаратор, в котором из перегретой в утилизаторе воды образуется пар, который подаётся в рубашку охлаждения камеры сгорания турбины, а вода циркуляционным насосом в смеси с подпиточной водой возвращается в утилизатор.

Давление воды в утилизаторе турбины 1 насосом 2 поддерживается больше давления пароводяной смеси в сепараторе пара 3. Вода в утилизаторе нагревается выше температуры насыщения при давлении в сепараторе. Давление в сепараторе, с помощью дросселирующего органа поддерживается на уровне, обеспечивающем подачу пара из расширителя в рубашку камеры сгорания турбины 4. В сепараторе происходит вскипание перегретой воды. Пар поступает в турбину, а вода возвращается в утилизатор насосом 5. В отопительный сезон насосом 6 вода подаётся в отопительную сеть предприятия (на схеме это показано условно без соответствующего теплообменника сетевой воды), откуда, после охлаждения в системе отопления возвращается в утилизатор. Для обеспечения работы насосов 5 и 6 температура воды перед ними снижается за счёт подмешивания хим. очищенной воды из котельной предприятия.

Экономический эффект

Экономический эффект при такой схеме, по отношению к существующей, имеет место из-за замещения части компрессорного воздуха для газовой турбины паром, полученным в сепараторе за счёт перегрева воды в утилизаторе турбины.

Расчёт экономического эффекта на примере утилизатора RR-EN6, ЛПУ 24 Сеченово. ГПА имеет 3 утилизатора, по 3 Гкал/ч каждый. Эксплуатационная тепловая мощность утилизаторов ГПА принята 6 Гкал/ч. Давление воды в утилизаторе 13 кг/см2. Сколько из этой мощности можно будет использовать в ГПА без проведения специальных исследований невозможно, но ясно одно, что любая возможность использования части тепла выхлопных газов в течении всего года будет выгодна, если это можно реализовать без больших капитальных затрат.

Принимаем, что давление воды в утилизаторе 13 кг/см2.

При таком давлении вода, как в экономайзере кипящего типа, может быть нагрета до температуры кипения tв = 195 °С и, по условию равномерного распределения воды по параллельно включённым трубкам, паросодержание в воде утилизатора допустимо до 10%.

В расширителе принимаем давление 10 кг/см2. Теплосодержание сухого насыщенного пара на выходе из сепаратора iп = 663 ккал/кг . Теплосодержание воды на выходе из сепаратора iвс = 183 Ккал/кг .

При этом режиме нагрева теплосодержание кипящей воды на выходе из утилизатора iу = 242,1 ккал/кг .

Расход воды через утилизатор Gв = 6000000 / (242,1 - 183) / 3600 = 28,2 кг/с . Расход пара из сепаратора Gп = 6000000 / 663 / 3600 = 2,5 кг/с

Тепловая энергия вводимая, в турбину с паром, позволяет, при прочих равных условиях, снизить расход газа на величину эквивалентную, тепловой энергии, вносимой в турбину с газом.

Для получения в камере сгорания турбины тепловой энергии в количестве 6 Гкал/ч, газа потребовалось бы, как минимум В = 6 / 0,008 / 0,99 = 756 м³/ч или 0,21 м³/с, где 0,008 теплота сгорания газа Гкал/м³; 0,99 – кпд камеры сгорания.

Стоимость газа (при цене 1 руб./м3), который может быть заменён паром утилизатора за летний период 3600·756·1 = 2 721 600 рублей , где 3600 ч – продолжительность меж отопительного периода.

Для перекачки воды по контуру утилизатор-расширитель, затраты на электрическую энергию за летний период при цене 2 руб/кВт.ч

40 · 3600 · 2 = 288 тыс. рублей

Затраты на воду. Расход воды в описанном выше примере порядка 3 м³ час. В летний период (3600 ч) расход безвозвратно истраченной воды составит 10800 м³. Стоимость этой воды при цене 5 руб/м³ составит: 5 · 10800 = 54000 руб . Затраты на покупку расширителя и монтажные работы не более 700 тыс.рублей.

Дополнительный экономический эффект от использования утилизатора в качестве генератора пара для работы турбины на паро-газовой смеси, кроме нагрева воды для отопления 2,7 - 0,3 = 2,4 млн. рублей в год.

Срок окупаемости капитальных затрат 1 / 2,4 = 0,4 года , т.е. в течение летнего сезона.

Другой вариант использования утилизатора, с той же целью работы его в течении всего года, состоит в том, что, при отсутствии расширителя в рубашку камеры сгорания впрыскивается перегретая вода, полученная в утилизаторе.

Суть предложения

Теплоутилизатор ГПА используется для получения горячей воды под давлением, значительно превышающим давление в камере сгорания турбины. Это также позволит использовать теплоутилизатор в неотопительный сезон. Принципиальная схема такой утилизации тепла выхлопных газов показана на рис.2.

В сепараторе выделяется змеевик, рассчитанный на высокое давление воды (до 50 ати и выше), расположенный первым по ходу газов. Вода в него подается специальным высоконапорным малорасходным насосом. После ТУ перегретая вода впрыскивается в рубашку камеры сгорания, и испарившись, совершает работу в газовой турбине.

В отопительный период утилизатор работает как для нужд отопления, так и для генерации впрыскиваемой в ГТУ перегретой воды

Преимущество без сепараторной схемы по сравнению с использованием сепаратора пара в простоте реализации и меньших капитальных затратах. Недостаток в необходимости более сложной системе регулирования и защиты турбины в аварийном режиме.