SIMULACIJA KOGENERACIJSKOG POSTROJENJA AVEDOREVERKET BLOK 1 POMOĆU PROGRAMA DNA, GATE CYCLE I UNITED CYCLE

Size: px

Start display at page:

Download "SIMULACIJA KOGENERACIJSKOG POSTROJENJA AVEDOREVERKET BLOK 1 POMOĆU PROGRAMA DNA, GATE CYCLE I UNITED CYCLE"

Terence Holt
6 years ago
Views:

1 SIMULACIJA KOGENERACIJSKOG POSTROJENJA AVEDOREVERKET BLOK 1 POMOĆU PROGRAMA DNA, GATE CYCLE I UNITED CYCLE SIMULATION OF THE COGENERATION PLANT AVEDOREVERKET - UNIT 1 WITH DNA, GATE CYCLE AND UNITED CYCLE PROGRAMMES Dr Dragoljub Živković Mašinski fakultet u Nišu, Aleksandra Medvedeva 14, Niš Abstract: This paper describes the modeling of the Danish Avedoreverket unit 1 (AVV1) power plant with DNA (Dynamic Network Analysis), Gate Cycle and United Cycle software and shows the results of the calculations. The paper also contains a brief description of the component models used. In particular, there is a small investigation of the difference obtained in the solution depending on the model used for the turbine (isentropic efficiency, polytropic efficiency, or straight-line expansion). Additional assumptions taken to obtain the characteristics for partial loads and loads with district heating, are listed. Key words: Modelling, software, simulation, CHP - Combined Heat and Power plants 1. UVOD AVEDOREVERKET BLOK 1 (AVV1) (sl.1) je CHP (Combined Heat and Power) postrojenje u kome sagoreva ugalj u sprašenom stanju, nominalne električne snage 250 MW el u kondenzacionom režimu rada. Električni stepen korisnosti je 42% i on uključuje snagu koja se koristi za pogon pomoćnih uređaja koji čiste dimne gasove. Postrojenje poseduje DeNOx i DeSOx uređaje. U potpunom toplifikacionom režimu postrojenje može proizvesti 212 MW el i 330 MJ/s toplote daljinskog grejanja (100 o C/50 o C) sa ukupnim iskorišćenjem energije od 92%. Postrojenje je počelo sa radom godine [1]. Postrojenje radi sa nadkritičnim parametrima pri punom opterećenju. Podaci za svežu paru pri punom opterećenju na ulazu u parnu turbinu su: p=240 bar, t=540 o C i nakon dogrevanja t=540 o C. Voda za ubrizgavanje se uzima iz napojne pumpe i ubrizgava u dogrejač radi regulisanja temperature na izlazu iz dogrejača pri stanjima blizu punog opterećenja. Kotao je protočni Benson-ovog tipa na ugalj, sa minimalnim opterećenjem od 40%. Turbina se sastoji od turbine visokog pritiska (HP), jedne jednoprotočne (IP1) i jedne nesimetrične dvoprotočne (IP2) turbine srednjeg pritiska i jedne nesimetrične dvoprotočne turbine niskog pritiska (LP1,LP2) (sl.1). Ovakva konfiguracija, uključujući broj i mesta oduzimanja pare za potrebe regenerativnog zagrevanja napojne vode i kondenzata kao i veličina turbine niskog pritiska (TNP), optimizirana je za veliki broj radnih sati sa visokom produkcijom toplote daljinskog grejanja. Kondenzator je konvencionalnog tipa sa cevima raspoređenim u obliku church window i koristi morsku vodu za hlađenje (projektovana temperatura na ulazu 10 o C). Pri

2 potpunom toplifikacionom režimu postoji mali maseni protok pare (manji od 1% masenog protoka kroz kotao) kroz TNP prema kondenzatoru sa ciljem hlađenja TNP. Protok je približno 0,8 kg/s za svaki protočni deo TNP. Postrojenje ima jednu glavnu napojnu pumpu (FWPT) koju pokreće parna turbina. Para se uzima iz dogrejača i izlaz se deli između prvog regenerativnog zagrejača kondenzata (CH1) i prvog zagrejača daljinskog grejanja (DH1), što zavisi od opterećenja daljinskog grejanja. 2. MODELIRANJE AVV1 Dynamic Network Analysis (DNA) [2,5] Kompletan model AVV1 može raditi na svim opterećenjima određenim u predlogu: 40%-100% opterećenja i između kondenzacionog i toplifikacionog režima rada. Radna tačka je određena postavljanjem istih upravljačkih veličina koje se koriste i za modele stvarnog upravljačkog sistema u DNA. Kotao Kotao je modeliran kao jednostavan izvor toplote sa gubitkom pritiska proporcionalnim opterećenju [2]. Uzima se da 75% gubitka pritiska od pumpe za napojnu vodu do TVP nastaje u kotlu, a ostatak u regenerativnim zagrejačima napojne vode. Turbina Za turbine izentropski stepen korisnosti i pritisak u svim oduzimanjima pri punom opterećenju su dati u predlogu. Turbinska linija je podeljena na dve jednoprotočne i dve dvoprotočne turbine. Svaka turbina je u modelu oduzimanjima podeljena na sekcije. Radi modeliranja svake turbinske sekcije uvedene su sledeće pretpostavke: Politropski stepen korisnosti svake sekcije jedne turbine je jednak. Politropski stepen korisnosti svake turbine je konstantan za sva opterećenja. Svaka turbinska sekcija ima konstantu turbine koja određuje protočnu sposobnost. Konstanta turbine je definisana u obliku: C T T m p 2 i p 2 0 (1) Radi određivanja najpogodnijeg modela, stanja pare u oduzimanjima proračunata su pod tri različite pretpostavke za jednoprotočnu TSP: Konstantan izentropski stepen korisnosti za svaku sekciju; Konstantan politropski stepen korisnosti za svaku sekciju; Pravolinijska ekspanzija u i-s dijagramu. Rezultati ove analize su sumirani u tab.1. Ustanovljeno je da konstantan izentropski stepen korisnosti ne daje tačnu vrednost entalpije na izlazu iz turbine kao druga dva slučaja. Ovo bi se moglo popraviti definisanjem različitog izentropskog stepena korisnosti za svaku sekciju. Međutim, kako se vidi sa sl.1, druga dva slučaja su tačni i veoma blizu jedan drugom, sa konstantnim politropskim stepenom korisnosti malo zakrivljenim. U ovom radu je pretpostavljeno da je politropski stepen korisnosti turbine konstantan za sve sekcije i pri svim opterećenjima.

3 Tab.1 Vrednosti entalpije pare na izlazima iz TSP1 za usvojene konstantne vrednosti izentropskog (η s ) i politropskog (η p ) stepena korisnosti i pravolinijsku ekspanziju u h-s dijagramu (h-s) u odgovarajućim sekcijama Oduzimanje na pritisku η s η p h-s [bar] 34, ,1 3378,1 3379,9 20, ,2 3231,9 3234,0 9, ,9 3031,9 3031,9 Sl.2 Poređenje ekspanzija u turbini TSP1 za usvojene konstantne vrednosti izentropskog (η s ) i politropskog (η p ) stepena korisnosti i pravolinijsku ekspanziju (h-s) Na sličan način mogu se naći politropski stepeni korisnosti turbina TSP2, TNP1, TNP2 i FWPT. Politropski stepeni korisnosti turbina i turbinske konstante su navedeni u tabeli 2. Tab. 2 Proračunate vrednosti politropskih stepena korisnosti i turbinskih konstanti u AVV1 p o [bar] η p [-] K kg C T [ ] bar s TVP 56,79 0, ,29 TSP1 34,26 0, ,2 TSP1 20,47 174,7 TSP1 9,16 233,5 TSP2 4,09 0, ,1 TSP2 2,66 204,4 TSP2 1,16 432,9 TNP1 (sa izlaznim gubicima) 0,042 0, TNP2 (sa izlaznim gubicima) 0,042 0, ,7 FWPT 0,40 0, ,5 Regenerativni zagrejači napojne vode Regenerativni zagrejači napojne vode su modelirani u skladu sa predlogom. Krajnja (granična) temperaturska razlika je 2 o C a odvodna temperaturska razlika je 15 o C. Regenerativni zagrejač FH4 nije kondenzator. Pri punom opterećenju on podiže temperaturu napojne vode za 25 o C, što kao rezultat daje pinch temperatursku razliku od 22,8 o C. Ova temperaturska razlika je konstantna za sva opterećenja. Gubici pritiska u ovim komponentama su proporcionalni kvadratnom korenu vrednosti masenog protoka.

4 Razmenjivači toplote daljinskog grejanja Ove komponente su slične regenerativnim zagrejačima napojne vode i takođe imaju krajnju (graničnu) temperatursku razliku od 2 o C. Pretpostavljeno je da je odvod zasićena voda. Napojna pumpa Stepen korisnosti pumpe za napojnu vodu je dat u predlogu u obliku krive. Ova kriva je predstavljena u obliku polinoma drugog stepena: 2 = 0,3071 z + 0,5393 z + 0,576 (2) η pump gde je z opterećenje. Najmanja kvadratna greška iznosi 3, Gate Cycle [3,5] Glavne pretpostavke metode su: Stepen korisnosti kotla je konstantan na opterećenjima između %; Temperatura rashladne vode je konstantna na opterećenjima kotla %; Dodatni gubitak od 3MW el je uveden da bi obezbedio snagu sopstvene potrošnje. Simulator obezbeđuje sledeće parametre zavisne od opterećenja: Temperatura pregrejane pare ostaje konstantna na 540 o C i opterećenjima između % i smanjuje se ispod 80% linearno do 500 o C na opterećenju od 40%. Maseni protok vode za ubrizgavanje u dogrejač smanjuje se od 1,7 kg/s na 100% opterećenja do 0 kg/s na 80% opterećenja. Snaga sopstvene potrošnje se smanjuje prateći linearnu funkciju protoka sveže pare. Stepen korisnosti pumpe za napojnu vodu je funkcija protoka napojne vode kotla. United Cycle [4,5] Za parcijalna opterećenja i opterećenja sa daljinskim grejanjem uvedene su sledeće pretpostavke: Pad pritiska i smanjenje temperature u glavnom cevovodu, između kotla i stop ventila, su 5 bar i 5 o C respektivno za projektne uslove 5%/5 o C. Za parcijalna opterećenja ove vrednosti se naknadno proračunavaju. Pad pritiska u ventilima ispred TVP i TSP iznosi 2,5 %, odnosno 3 %, za projektne uslove i naknadno se proračunava za parcijalna opterećenja. Smanjenje temperature pare u cevima dogrejača iznosi 2 o C. Pad pritiska u cevovodima između turbina (TSP1 TSP2, TSP2-TNP1, I TSP2-TNP2) je usvojen 2 % za projektne uslove. Koeficijent koji uzima u obzir uticaj vlažnosti pare na stepen korisnosti turbinskog stupnja iznosi 0,5. Pad pritiska i smanjenje temperature u parovodima su uzeti u obzir i ponovo proračunati za promenljive režime rada. Izlazne karakteristike i kriva stepena korisnosti (bez uticaja vlažnosti) poslednjeg stupnja turbine odgovaraju tipičnom poslednjem stupnju turbine LMZ sa prečnikom korena 1520 mm i dužine radne lopatice 960 mm. Protok rashladne vode je izabran da održava konstantnu vrednost zagrevanja rashladne vode kondenzatora za sve simulirane režime rada. Ova konstantna vrednost je definisana za projektne uslove. Kao rezultat se dobija da raspon protoka rashladne vode od minimalnog do maksimalnog iznosi 3200 do 7700 kg/s. Minimalni pritisak u kondenzatoru je određen maksimalnim kapacitetom glavnog ejektora i iznosi 0,02 bara.

5 3. REZULTATI DNA (Dynamic Network Analysis) Proračuni pokazuju da pri punom opterećenju postrojenje proizvodi ukupno 260,54 MW zajedno sa snagom sopstvene potrošnje od 11,25MW. Prema podacima iz materijala ukupna proizvedena snaga iznosi 261,5MW, što znači da je izračunata vrednost sa greškom od 0,37%. Izračunata vrednost stepena korisnosti iznosi 41,4% što je blizu zadate vrednosti od 42%. Slika 1 pokazuje rezultate rada postrojenja pri punom opterećenju i toplifikacionom režimu rada. Vidi se da se je stepen korisnosti postrojenja smanjio do 35,9% pri proizvedenoj snazi od 216 MW. Proizvodnja toplote daljinskog grejanja iznosi 332,9 MJ/s. Ove vrednosti su neznatno veće od datih podataka, +1,9% i 0,9% respektivno. Proračunata iskorišćenost energije je 91,1%, dok je data vrednost u predlogu 92%. Na sl.3 prikazane su krive konstantne potrošnje toplote za opterećenja između 40% i 100% i temperature daljinskog grejanja 50/100 o C. Pored toga, prikazana je i kriva koja odgovara opterećenju od 100% i višim temperaturama daljinskog grejanja (65/110 o C). Sl.3 Zavisnost snage bloka i toplote daljinskog grejanja za temperature vode daljinskog grejanja 50/100 o C i 65/110 o C (isprekida linija) (DNA) Gate Cycle U kondenzacionom režimu rada postrojenja AVV1, Program Gate Cycle kao rezultat daje produkciju električne snage od 253,0 MW el (=+1,2%) i ukupni stepen korisnosti od 42,1 %. Tabela 3 pokazuje vrednosti proizvedene snage pri različitim opterećenjima kotla u kondenzacionom režimu rada. Tabela 3 Snaga postrojenja na različitim opterećenjima Opterećenje 100 % 80 % 60 % 40 % Snaga [MW] ,6 151,4 99,4

6 Proizvodnja toplote daljinskog grejanja se postiže povećanjem protoka vode daljinskog grejanja najpre dejstvom regulacionih ventila na parovodima ka zagrejačima daljinskog grejanja, a zatim dejstvom regulacionih ventila kondenzacionih parnih turbina iza regulisanih oduzimanja. Tzv. ventilske tačke su postignute kada su svi regulacioni ventili potpuno otvoreni. Radi povećanja produkcije toplote daljinskog grejanja iz ovog stanja ventili kondenzacionih parnih turbina se zatvaraju istovremeno. Maksimalna produkcija toplote se postiže u toplifikacionom režimu kada su ovi ventili već potpuno zatvoreni (usvajajući mali protok radi hlađenja turbine). Na slici 4 prikazan je dijagram koji pokazuje promenu snage postrojenja na različitim toplotnim opterećenjima za temperature vode 50/100 o C. Sl.4 Zavisnost snage bloka i toplote daljinskog grejanja za temperature vode daljinskog grejanja 50/100 o C (Gate Cycle) United Cycle U skladu sa predlogom za sastav simulatora Proposal for Simulator Contest [1] glavni dobijeni rezultati prikazani su na sl.5. Detaljno ispitivanje ovih podataka pokazuje sledeće: Električno opterećenje bloka koji radi u kondenzacionom režimu je linearno zavisno od proizvodnje pare u kotlu. Kada se parno opterećenje kotla smanji od 100% na 40%, električno opterećenje se smanjuje od 250 MW na 103 MW. U tom slučaju, maseni protok rashladne vode se smanjuje praktično linearno. Kada blok radi u kondenzacionom režimu zavisnost parnog opterećenja kotla od stepena korisnosti bloka ima dve karakteristične oblasti. Prva oblast odgovara parnom opterećenju kotla između 100% i 80%. Ovde je stepen korisnosti bloka praktično konstantan i iznosi 41,5%. Drugi region odgovara promeni opterećenja kotla od 80% do 40%. Ovde se stepen korisnosti bloka smanjuje do 39,6%. U toplifikacionom režimu rada maksimalna vrednost toplote daljinskog grejanja iznosi 335 MJ/s (dijagram na sl.5) kada je povratno/predajna temperatura daljinskog grejanja 50/100 o C. Kada je povratno predajna temperatura 65/110 o C maksimalna toplota daljinskog grejanja se povećava do 342 MJ/s. Zavisnost parnog opterećenja kotla od maksimalno mogućeg izlaza daljinskog grejanja je približno linearna u slučaju kada ulazno/izlazna temperatura vode daljinskog grejanja je konstantna i iznosi 50/100 o C (sl.5). Smanjenje produkcije pare kotla od 100% na 40% smanjuje količinu toplote daljinskog grejanja na izlazu

7 od 352 MJ/s na 151 MJ/s za toplifikacioni režim i od 200,5 MJ/s do 17,5 MJ/s za režim rada označen kao ventilska tačka. Povećanje temperature povratno/predajne vode od 50/100 o C na 65/110 o C prouzrokuje maksimalno smanjenje toplote daljinskog grejanja na izlazu od 200,5 MJ/s na 143 MJ/s. Sl.5 Zavisnost snage bloka i toplote daljinskog grejanja za temperature vode daljinskog grejanja 50/100 o C i 65/110 o C 4. ZAKLJUČAK DNA, Gate Cycle i United Cycle predstavljaju veoma kvalitetan softver, pogodan za modeliranje i simulaciju energetskih procesa u složenim CHP postrojenjima kao što je AVV1. Sva tri programa proizvode približno iste rezultate pri različitim opterećenjima i režimima rada bloka. U radu je prikazan i kratak opis modela komponenata koje ulaze u sastav 1. bloka ovog termoenergetskog postrojenja. Primena programa Gate Cycle i United Cycle je veoma pogodna za korisnike s obzirom na postojanje grafičkog interfejsa. REFERENCES [1] Proposal for simulator contest. ECOS 2003 home page: July [2] Elmegaard Brian, Houbak Niels, Simulation of the Avedoreverket Unit 1 Cogeneration Plant with DNA, Proceedings of Ecos 2003, Copenhagen, Denmark, June 30-July, 2003, p [3] Ijzenbrandt Jasper, Goudappel Edwin, Simulation of the AVV1 Cycle with Gate Cycle, Proceedings of Ecos 2003, Copenhagen, Denmark, June 30-July, 2003, p [4] Demidov I. Oleg, Demidov O. Roman, Kutakhov G. Anatoli, Romanov N. Serguey, Simulation of AVV1 ST Power Plant with United Cycle Software, Proceedings of Ecos 2003, Copenhagen, Denmark, June 30-July, 2003, p [5] Živković Dragoljub, Software for the simulation processes in CHP plants, SIMTERM, Sokobanja, oktobar 2007.

8 Sl.1 Rezultati simulacije AVV1 pri 100% opterećenju i toplifikacionom režimu rada

ANALIZA PRIMJENE KOGENERACIJE SA ORGANSKIM RANKINOVIM CIKLUSOM NA BIOMASU U BOLNICAMA

ANALIZA PRIMJENE KOGENERACIJE SA ORGANSKIM RANKINOVIM CIKLUSOM NA BIOMASU U BOLNICAMA Nihad HARBAŠ Samra PRAŠOVIĆ Azrudin HUSIKA Sadržaj ENERGIJSKI BILANSI DIMENZIONISANJE POSTROJENJA (ORC + VRŠNI KOTLOVI)