5. Комбинированные тепловые схемы газотурбинных установок

Анализ вариантов утилизации тепла отработавших газов (ОГ) ГТУ и используемых для их реализации диапазонов температур позволяет сделать вывод о необходимости разработки комбинированных высокоэкономичных схем. Разработка вариантов комбинированных схем газотурбинных установок (КГТУ) вполне может быть реализована студентами при дипломном проектировании.

Все комбинированные схемы предполагают сочетание различных вариантов утилизации тепла ОГ ГТУ с вводом пара в камеру сгорания. Этот способ утилизации тепла ОГ ГТУ, ранее именовавшийся как контактные или форсированные ГТУ, в настоящее время получил название монарных парогазовых установок, поскольку рабочее тело в газовой турбине представляет собой смесь различных газов с перегретым паром, полученным в утилизиационном теплообменнике (воздух, продукты сгорания углеводородного топлива (углекислый газ СО₂ и пары воды Н₂О) и вводимый дополнительно в камеру сгорания, сухой перегретый пар). Такие монарные комбинированные газотурбинные установки МК ГТУ в настоящее время находят все большее применение, поскольку они обеспечивают значительное повышение мощности и КПД, быструю окупаемость и улучшение экологической обстановки в районе объекта.

С учетом сказанного можно предложить следующие усложненные комбинированные варианты тепловых схем монарных установок: монарная с регенерацией; монарная с теплофикацией; монарная с регенерацией и теплофикацией.

Обобщенная формула для определения эффективного КПД таких установок буден выглядеть следующим образом:

где: - относительные расходы соответственно газа, пара, охлаждающего воздуха;

; ; -удельная изоинтропийная работа соответственно турбины по газу и пару и компрессора;

η_т; η_мт: η_к; η_псв- КПД соответственно внутренний турбины; механический турбины; компрессора; подогревателя сетевой воды (котла-утилизаторв);

Н_псвг; Н_псвп – удельная теплота теплофикации соответственно по газу и пару;

q_ксг; q_ксп – удельное количество тепла, подводимое в камере сгорания соответственно к газу и пару;

μ_в –коэффициент возврата работы охлаждающего воздуха;

ε – относительное время работы с теплофикацией в год.

По этой формуле были выполнены сравнительные расчеты различных вариантов тепловых схем МКГТУ.

В качестве базового варианта принята газотурбинная установка ГТН-25-1 с параметрами:

Температура воздуха Т₃= 288К; начальная температура газа перед турбиной Т₁==1343К; степень повышения давления π =12,8; КПД турбины η_т=0,88; КПД компрессора η_к=0,85; механический КПД η_мт=0,98; КПД подогревателя сетевой воды η_псв=0,94; температурный коэффициент τ = 0,215; относительный расход газа ; относительное значение пара, вводимого в КС α = ; степени регенерации μ =0,8; коэффициент возврата работы охлаждающего воздуха μ_в=0,4; относительный расход воздуха на охлаждение ; относительное время работы с теплофикацией в год ε = 0,58; температура газов, покидающих утилизационный теплообменник Т_ух=393К (120˚С). Результаты расчета представлены в табл.5

Из сравнения показателей табл. 5 видно, что максимальной эффективностью обладает монарная установка с регенерацией и теплофикацией. Принципиальная тепловая схема такой комбинированной монарной установки представлена на рис. 5. В этой схеме предусматривается также установка воздушного конденсатора (аппарата воздушного охлаждения, АВО) с целью получения технического дистиллата с последующим его накоплением и использованием (также, как в установке «Водолей» [9,10]).

Однако, подобные сложные комбинированные монарные установки требуют значительного времени и затрат по их освоению. Поэтому на первом этапе целесообразно использовать упрощенные тепловые схемы монарных установок типа «Водолей» и «STJG» с вводом горячей воды (пара) в КС не более 15% от расхода воздуха через компрессор.

Рис. 5. Комбинированная тепловая схема монарной установки

Таблица 5

Технико-экономичесие показатели вариантов тепловых схем газотурбинных и монарных установок

№ п/п	Вариант тепловой схемы	Эффективный КПД установки ηе	Коэффициент полезной работы	Относительная стоимость установки
1.	Простейшая ГТУ	0,33	0,4	1
2.	Регенеративная ГТУ	0,43	0,4	1,75
3.	ГТУ с теплофикацией при ε = 0,58	0,64	0,4	1,5
4.	Бинарная ПГУ	0,43	0,4	2,5
5.	Контактная (форсированная) ГТУ (простейшая монарная)	0,44	0,51	1,45
6.	Монарная с регенерацией	0,53	0,51	2
7.	Монарная с теплофикацией при ε = 0,58	0,71	0,51	2
8.	Монарная с регенерацией и теплофикацией при ε = 0,58	0,81	0,51	2,3
9.	«Водолей», Украина	0,43	0,51	2
10.	«STJG» США	0,43	0,51	1,75

На первом этапе освоения монарных установок такие схемы должны найти широкое применение, поскольку они при сравнительно малых дополнительных затратах обеспечивают значительное повышение мощности и КПД ГТУ и улучшают экологическую обстановку в районе объекта. Примером такой упрощенной схемы монарной установки может служить схема представленная на рис. 6 [6 ].

Известно, что ввод воды (пара) в камеру сгорания помимо увеличения мощности и КПД ГТУ резко уменьшает выброс вредных соединений (главным образом оксидов азота) в атмосферу. Ещё большего эффекта в подавлении образования оксидов азота можно добиться, если в камеру сгорания вводить не воду, а слабый водный раствор карбамида, а в выходной тракт ГТУ впрыскивать небольшое количество аммиачной воды (1-2% от расхода воздуха рис.6).Процесс восстановления оксидов азота осуществляется в два этапа.

Этап 1: восстановление монооксида азота NO до молекулярного азота в количестве, достаточном длч получения в дымовых газах эквимолекулярной смеси (50% : 50%) моноокиси NO и двуокиси NO₂ азота. Процесс восстановления осуществляется фиксированным вводом в камеру сгорания через паровой эжектор раствора карбамида в зону с температурой t = 1100˚С (между корпусом и жаровой трубой КС). Процесс идет по реакции

2 (NН₂ )₂ СО + 6NО = 5N₂+4Н₂О+2СО₂.

На первом этапе содержание оксидов азота в отработавших газах снижается на 70-80%.

Этап 2: связывание эквимолекулярной смеси оксидов азота аммиачной водой в нитрат аммония с разложением последнего до

Рис. 6. Тепловая схема упрощенной установки с очисткой отработавших газов

молекулярного азота. Вода вводится в выходной тракт ГТУ. Процесс идет по реакциям:

2NН₄СН + N₂О₃ → 2NН₄ NО₂ +Н₂О,

а поскольку температура выхлопа составляет t₂ 500˚С, одновременно происходит реакция разложения нитрата аммония:

NН₄ NО₂→N₂+2Н₂О.

На втором этапе содержание оксидов азота снижается еще на 50-60% от оставшихся и общее снижение NО₂ достигает 80-90%.

Для повышения мощности ГТУ в сухое и жаркое время года целесообразно использовать автоматизированную систему водоиспарительного охлаждения (ВИО). В этом случае на входе в компрессор за счет испарения воды снижается температура всасываемого воздуха и полезная работа ГТУ увеличивается. Во избежание попадания в компрессор избыточной влаги и влажного сжатия состояние воздуха на входе в компрессор поддерживается на линии насыщения (точка росы) с помощью психрометра, воздействующего на количество подаваемой в систему ВИО воды.

К воде, впрыскиваемой в камеру сгорания и для водоиспарительного охлаждения, предъявляются те же жесткие требования по содержанию солей, что и для паротурбинных установок, т.е. должны использоваться технический дистиллат и химически очищенная вода. Поэтому подобные схемы должны быть оборудованы системой ХВО (химической очистки) и воздушными конденсаторами (аппараты воздушного охлаждения, АВО) для получения технического дистиллата из отработавших газов ГТУ и его накопления в емкостях.

Работы по переводу ГТУ в упрощенные монарные могут быть выполнены на работающих установках в период их ремонтов.

Таким образом, предлагаемая упрощенная тепловая схема монарной установки при количестве впрыскиваемой воды в камеру сгорания ≤ 15% (по массе) от расхода воздуха через компрессор может обеспечить значительное повышение экономичности (повышение КПД порядка 10%) и мощности (порядка 30%) установки и существенное улучшение экологической обстановки в районе объекта при сравнительно невысоких дополнительных затратах (порядка 50% от стоимости установки).