Porównanie układu równoległego i szeregowego skraplaczy w bloku 460 MW na parametry nadkrytyczne

Wstęp

Poprawne wybranie parametrów cyklu ma decydujący wpływ na parametry pracy bloku energetycznego. Ma to szczególnie duże znaczenie w dużych blokach na parametry nadkrytyczne, w których udoskonalenie technologii skutkuje znaczącymi oszczędnościami ze względu na zwiększenie sprawności, a tym samym ograniczenie jednostkowego zużycia ciepła.

q – jednostkowe zużycie ciepła

η – sprawność

Wpływ na możliwe do osiągnięcia parametry cyklu konfiguracja układu, np. ilość wymienników regeneracyjnych, zastosowanie przegrzewu wtórnego itd.

Dokonano analizy bloku 460 MW na parametry nadkrytyczne, w którym po części średnioprężnej para jest rozdzielana i część zostaje skierowana do osobnej turbiny niskoprężnej. W takim układzie występuje konieczność zastosowania dwóch skraplaczy, typowym rozwiązaniem konstrukcyjnym w takiej sytuacji, jest równoległe (kolektorowe) połączenie.

Przeprowadzona została analiza porównawcza dwóch konfiguracji:

Konfiguracja z równoległym połączeniem skraplaczy

Konfiguracja z szeregowym połączeniem skraplaczy

Założenia

Charakterystyki

Moc netto

Największa moc netto została osiągnięta dla wydatku 25 000 kg/s w przypadku połączenia szeregowego i 30 000 kg/s w przypadku połączenia równoległego.

Wyższe moce są osiągane dla połączenia równoległego, a różnica jest większa w przypadku mniejszych wydatków wody chłodzącej (nawet do 2% różnicy dla wydatku ~10 000 kg/s).

Sprawność

Sprawność była wyznaczana jako stosunek uzyskanej w generatorach mocy pomniejszonej o prace pompowania skroplin, wody zasilającej i wody chłodzącej do energii cieplnej dostarczanej w kotle.

P_gen – suma mocy na zaciskach generatorów 1 i 2

P_pomp – suma mocy pomp

Qdost. – energia dostarczanej w kotle

Najwyższa sprawność została osiągnięta dla wydatku 25 000 kg/s w przypadku połączenia szeregowego i 30 000 kg/s w przypadku połączenia równoległego.

Wyższe sprawności są osiągane dla układu szeregowego.

Temperatura wylotowa wody chłodzącej

W przypadku szeregowego połączenia skraplaczy temperatura wylotowa jest mniejsza.

Dla mniejszych wydatków wody konfiguracja skraplaczy ma większy wpływ na zmianę temperatury wylotowej, natomiast dla dużych wydatów (powyżej 30 000 kg/s) wpływ jest pomijalnie mały.

Temperatura wylotowa wody chłodzącej jest parametrem szczególnie istotnym w otwartych układach chłodzenia. Podgrzana woda odprowadzana do rzeki powoduje tzw. termiczne zanieczyszczenie, tj. zwiększenie temperatury, które może być szkodliwe dla ekosystemu wodnego. Zwiększona temperatura wody skutkuje mniejszą rozpuszczalnością tlenu, co jest niebezpieczne dla ryb i innych zwierząt wodnych.

Temperatura ta oraz wydatek wody chłodzącej mają także znaczenie ekonomiczne, gdyż opłata środowiskowa zależy bezpośrednio od wartości tych parametrów.

Wnioski

Poprzez analizę dwóch układów skraplaczy wykazano korzyści wynikające ze zmiany układu równoległego na układ szeregowy w analizowanym przypadku. Wynika z tego, że analiza w poszukiwania optymalnej konfiguracji skraplaczy jest zasadna, gdyż umożliwia znalezienie nowych rozwiązań poprawienia sprawności obiegu, co przedkłada się na korzyści finansowe i środowiskowe.

Kompletna analiza powinna uwzględniać również ekonomiczny aspekt inwestycji – koszty wybudowania rurociągów wody chłodzącej o wymaganych przepisach koszty pozyskania wody chłodzącej i koszty odprowadzenia wody o konkretnej temperaturze do zbiornika wodnego. Opłaty z tytułu użytkowania wód ustalane są przez Wody Polskie powołane na mocy ustawy Prawo Wodne z dnia 20 lipca 2017, która również definiuje maksymalne stawki tych opłat.

Bibliografia

• Ewa Dobkiewicz-Wieczorek, Wpływ konfiguracji połączenia trzech skraplaczy głównych na przyrost mocy elektrycznej turbozespołów dużej mocy. INSTAL 4/2016, s. 12-16.
• Włodzimierz Wróblewski, Sławomir Dykas, Sebastian Rulik, Selection of the cooling system configuration for an ultra-critical coal-fired power plant. Energy Conversion and Management 76 (2013).
• Prawo Wodne, ustawa z dnia 20 lipca 2017.
• J. Kotowicz H. Łukowicz Ł. Bartela S. Michalski, Validation of a program for supercritical power plant calculations, Archives of Thermodynamics Vol. 32(2011), No. 4, 81–89.
• B. Staniszewski, Termodynamika, Warszawa: Państwowe Wydawnictwo naukowe, 1982.
• T. Chmielniak, Technologie energetyczne, Warszawa: Wydawnictwo WNT, 2013.
• W. Pudlik, Termodynamika, Gdańsk: Biblioteka Główna Politechniki Gdańskiej, 2011.
• J. Szargut, „Optimization of the Design Parameters Aiming at the Minimization of the Depletion of Non-renewable Resources,” Energy, tom 29, nr 12, pp. 2161-169, 2004.
• Słupik, Tomasz, „Zasady optymalnej pracy skraplaczy i wymienników ciepła,” Tomasz Słupik – „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Zakład Techniki Cieplnej, nr 9, 2012.