Научный журнал
Научное обозрение. Технические науки
ISSN 2500-0799
ПИ №ФС77-57440

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММЫ ASPEN PLUS ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАСШИРЕНИЯ ПАРА В ТУРБИНЕ

Ильичев В.Ю. 1 Юрик Е.А. 1
1 Калужский филиал ФГОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»
Паровые турбины в настоящее время получили чрезвычайно широкое применение в различных технологических процессах, особенно в энергетике. При этом до сих пор актуальной задачей является разработка средств их оптимального проектирования, что на современном этапе развития технологий невозможно осуществить без привлечения численных методов и систем автоматизированного проектирования. Одним из наиболее совершенных программных продуктов, позволяющих исследовать технологические схемы производства энергии, химического производства и многих других, является пакет AspenONE, составной частью которого является программа Aspen Plus. С её помощью можно исследовать в том числе и характеристики паровых турбин. В данной работе рассматривается разработанная авторами методика моделирования в программе Aspen Plus схемы включения паровой турбины, выбора и задания параметров рабочего тела и расчёта характеристик, происходящих в турбине процессов при различных способах организации регулирования – количественного и качественного. На примере конкретной модели конденсационной турбины, К-100-900, производства Ленинградского металлического завода, исследовался изоэнтропный процесс расширения пара, для которого получены зависимости вырабатываемой мощности от расхода пара и его начального давления. Построенные графики позволили сделать выводы о взаимной зависимости параметров исследуемой турбины и выработать рекомендации по дальнейшему развитию разработанного метода. Описанный метод позволит разработчикам значительно усовершенствовать и ускорить процесс проектирования технологических схем, содержащих паровые турбины.
автоматизированное проектирование
паровая турбина
изоэнтропный процесс
регулирование турбин
Aspen Plus
1. Мажаев В.С. Паротурбины в распределенных энергетических системах // Актуальные вопросы современной науки: сборник статей по материалам XI международной научно-практической конференции. В 2 ч. 2018. С. 117–120.
2. Кирпичникова И.М., Рахматулин И.Р. Использование паровой турбины в составе солнечной опреснительной установки // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2016. Т. 16. № 3. С. 57–61.
3. Zabelin N.A., Saychenko A.S. Development of an environmentally friendly steam turbine working on organic fluid for waste heat utilization // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2016. № 3 (249). С. 5–14.
4. Болдырев О.Н. Судовые энергетические установки. Часть II. Котлотурбинные энергетические установки: учеб. пособие. Северодвинск: Севмашвтуз, 2004. 187 с.
5. Щинников П.А., Ловцов А.А., Марасанов Н.В. Новая технология на основе двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины. Энерго- и ресурсосбережение в теплоэнергетике и социальной сфере: материалы Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов, ученых. 2016. Т. 4. № 1. С. 304–307.
6. Каталог продукции группы компаний «Силовые машины» 2018 г. [Электронный ресурс]. URL: http://www.power-m.ru/upload/iblock/d99/SM_all_2018.pdf (дата обращения: 10.12.2019).
7. Гнеушев А.С. Расчет принципиальной тепловой схемы энергоблока ТЭС: Метод. указания. Самара: Самарский государственный технический университет, 2013. 37 с.
8. Балашов А.А. Техническая термодинамика. Барнаул: ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», 2014. 101 с.
9. Кудряшов А.Н., Фролов А.Г., Сушко С.Н., Стенников В.А. Тепловой расчет паровой турбины: учебное пособие для студентов теплоэнергетических специальностей. Иркутск: Иркутский государственный технический университет, 2004. 87 с.
10. Мирошников В.В., Иваницкий М.С. Сравнительные расчеты тепловых схем с сепарацией для турбоустановки с влажно-паровой турбиной // Научно-практическая конференция, посвященная 60-летию пуска первого гидроагрегата Волжской ГЭС: сборник докладов. 2019. С. 69–73.

Паровые турбины используются не только в качестве двигателя для преобразования тепловой энергии пара, полученного в котле, в кинетическую энергию для вращения ротора электрогенератора [1], но также входят в состав многих производственных процессов в качестве привода других установок – компрессоров, нагнетателей, насосов и др. [2, 3].

В связи с широким распространением паровых турбин в различных технологических схемах является актуальным моделирование процессов, происходящих в них. На основе такого моделирования можно проследить влияние турбины на характеристики исследуемых схем, определить взаимосвязь различных теплофизических параметров на входе и на выходе турбины, найти вырабатываемую мощность.

Одной из современных программ, позволяющих моделировать различные промышленные установки, входящие в технологические процессы производства, переработки химических продуктов, получения энергии, а также создавать связи между ними, является система Aspen Plus, входящая в программный комплекс AspenONE. Эта программа отличается тем, что имеет огромную базу по свойствам веществ, используемых в производстве, и имеет совершенные и наглядные средства разработки моделей, состоящих из множества отдельных блоков.

Известны три способа регулирования мощности паровых турбин [4]:

1. Количественное (изменением расхода пара при постоянных теплофизических параметрах – температуре, давлении и др.).

2. Качественное (изменением параметров пара на входе в турбину, при неизменном расходе). Чаще всего это регулирование осуществляется изменением давления (регулирование скользящим давлением).

3. Смешанное – комбинация количественного и качественного регулирования.

Целью данной работы является разработка модели функционирования турбины, работающей на водяном паре, в программе Aspen Plus, а также исследование характеристик двух типов регулирования мощности – методами количественного и качественного регулирования, на примере конкретной модели турбины.

Разрабатываемая методика может помочь в дальнейших исследованиях при создании различных технологических схем, имеющих в своём составе паровые турбины, например [5]. При этом у разработчиков появляется возможность выбирать параметры турбины, позволяющие добиться её наилучших эксплуатационных и экономических характеристик.

Материалы и методы исследования

В качестве объекта моделирования выбрана турбина К-100-90 производства Ленинградского металлического завода [6]. Для получения требуемых характеристик регулирования рассмотрен изоэнтропный процесс расширения пара в данной турбине (идеальный процесс расширения без изменения энтропии) [7].

Вначале в программе Aspen Plus была создана схема, содержащая исследуемую турбину TURBINE, входной материальный поток рабочего тела INLET и выходной материальный поток OUTLET (рис. 1). Вырабатываемая турбиной мощность моделируется с помощью энергетического потока POWER.

ilich1.tif

Рис. 1. Модель технологической схемы подключения паровой турбины

Следует отметить, что одной из особенностей программы Aspen Plus является одинаковое визуальное изображение турбины и компрессора в составе схемы, при этом для компрессора значение энергетического потока POWER получается со знаком плюс (моделируется потребляемая мощность), а для турбины – со знаком минус (так как мощность не потребляется, а вырабатывается).

Далее, из базы веществ программы было выбрано рабочее тело материальных потоков – вода H2O (в рассматриваемом процессе имеет парообразное агрегатное состояние; в конце процесса с некоторой примесью влаги), для которого в той же базе заложены все необходимые для расчёта свойства – энтальпии, энтропии, удельные объёмы при разных давлениях и температурах и прочие.

Затем были заданы номинальные параметры рабочего тела, пара, на входе в турбину К-100-90 (поток INLET) согласно данным [6] (рис. 2).

ilich2.tif

Рис. 2. Задание начальных параметров пара

При вводе характеристик турбины (блок TURBINE) необходимо выбрать только тип модели (компрессор или турбина), выбрать тип процесса (изоэнтропный) и задать конечное давление процесса 5 кПа. Остальные параметры определяются программой автоматически в процессе выполнения вычислений.

Для построения зависимости мощности турбины от давления на входе и от расхода пара необходимо также правильно заполнить пункт Model Analysis Tools → Sensitivity.

В данном случае необходимо получить значения мощности, развиваемой турбиной, при следующем изменении параметров потока на входе INLET:

1) расхода рабочего тела от 1 до 420 т/ч при сохранении номинальных давления 90 бар и температуры 535 °С (регулирование мощности изменением расхода – количественное регулирование);

2) давления потока от 1 до 90 бар при сохранении номинальных температуры 535 °С и расхода 420 т/час (регулирование мощности скользящим давлением – качественное регулирование).

Результаты исследования и их обсуждение

После запуска расчёта программа определяет параметры выходных потоков: материального потока рабочего тела OUTLET и энергетического потока POWER при номинальных параметрах входного потока INLET турбины К-100-90 (рис. 3).

ilich3.tif

Рис. 3. Результаты расчёта параметров выходных потоков

Из результатов видно, например, что количество жидкой фазы (влаги) на выходе составляет 4,75 %, температура 36 °С, вырабатываемая турбиной мощность 118 МВт (что соответствует реальной внутренней мощности турбины около 100 МВт с учётом её относительного внутреннего КПД 80–85 %).

Далее была построена зависимость для мощности, вырабатываемой турбиной, при изменении расхода пара (рис. 4). Эта зависимость при изоэнтропном процессе является линейной [8].

ilich4.wmf

Рис. 4. Зависимость мощности турбины от расхода пара

ilich5.wmf

Рис. 5. Зависимость мощности турбины от давления пара на входе

Также построена зависимость мощности турбины, при варьировании давления пара на входе (рис. 5) – так называемая характеристика при регулировании мощности методом скользящего давления.

Из данного графика можно сделать важный вывод, что наибольший прирост мощности при увеличении давления на 1 бар наблюдается при относительно низких давлениях пара.

Подобным же образом можно построить любые зависимости параметров материальных и энергетических потоков. При этом можно рассматривать не только изоэнтропный процесс расширения пара, но и реальный, однако в описание модели турбины в этом случае необходимо добавить данные, полученные по результатам её детального теплового расчёта (например, по методике [9]) либо испытаний аналогичных турбин. Например, необходимо задаваться зависимостью относительного внутреннего КПД проточной части турбины от расхода пара и от его параметров на входе и выходе турбины. Также разработанную методику описания турбины можно использовать при моделировании тепловых схем турбоустановок [10] в программе Aspen Plus.

Заключение

Цель данной работы выполнена – разработана методика создания модели паровой турбины и исследования взаимозависимости различных её параметров с использованием системы численного моделирования Aspen Plus. Получены и проанализированы характеристики двух способов регулирования мощности турбины – количественного и качественного. Предложены пути дальнейшего совершенствования данной методики.


Библиографическая ссылка

Ильичев В.Ю., Юрик Е.А. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММЫ ASPEN PLUS ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАСШИРЕНИЯ ПАРА В ТУРБИНЕ // Научное обозрение. Технические науки. – 2019. – № 6. – С. 28-32;
URL: https://science-engineering.ru/ru/article/view?id=1266 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674