8.5. Підвищення параметрів циклів пту

Існуючі у світовій енергетиці тенденції підвищення ефективності ТЕС на основі нетрадиційних енерготехнологій не виключають пошук шляхів підвищення економічності традиційних ПТУ і ГТУ на основі під­вищення початкових параметрів робочого тіла.

Успіх реалізації цього напряму багато в чому визначається розвитком технологій одержання дешевих сплавів, які характеризуються високою термостійкістю і потрібною міцністю. Звичайні низьколеговані сталі, що застосовують для виготовлення роторів і циліндрів сучасних парових тур­бін, мають температурні обмеження 540.. .565 °С.

Розроблені останнім часом модифіковані феритні сталі разом з вико­ристанням системи внутрішнього охолодження дозволяють підняти почат­кову температуру до 580 °С і вище. Використання аустенітних сталей збільшує початкову температуру до 600.. .630 °С і тиск - до 31 МПа.

Для підвищення початкових параметрів пари існують також обме­ження термодинамічного характеру на початковий тиск. Застосування проміжного перегріву (за певних умов) також сприяє підвищенню термодинамічної ефективності сумарного циклу.

За наявності відповідних конструктивних матеріалів можливе подаль­ше підвищення початкових параметрів аж до одержання надкритичних параметрів. Однак у цьому разі навіть за наявності проміжного перегріву пари кінець процесу розширення переходить до області вологої пари. Усунути цю перешкоду можна лише застосуванням двоступеневого про­міжного перегріву.

Результати оцінок збільшення ККД з підвищенням початкових пара­метрів пари для різних формул перегріву порівняно з базовим варіантом ПТУ (р₀ = 16 МПа, t_o = 540/540 °С) наведено в табл. 8.1.

Таблиця 8.1. Збільшення ефективності перетворення теплоти з підвищенням початкових параметрів пари

Параметри пари	Формула промперегріву, °С	Тиск у конденсаторі, кПа	Збільшення ККД, %
Докритичні	540/540	5	-
	566/566	5	-3,5
Надкритичні	566/566/566	5	-6,3
	580/580/580	2,3	-9,8

Варіант із надкритичними параметрами пари (ро = 28,5 МПа) і по­двійним проміжним перегрівом пари використовують на данських ТЕС Skaerbaek і Nordjylland відповідно до розробки консорціуму MAN Energy і GECAlsthom.

8.6. Використання каталітичних камер згорання у складі гту

Дослідження застосування каталітичного горіння в камерах згорання ГТУ з метою створення екологічно чистих установок проводять фірми й організації General Electric Corporation, U. S. Department of Energy, Solar Turbines Incorporated, Toshiba та ін. Перші дві фірми об'єднали свої зу­силля в спільній програмі Advanced Turbine System, відповідно до якої передбачено виробництво після 2000 року газових турбін з емісією окси­дів азоту (NOx < 8 ррт)* і оксиду вуглецю (CO < 15 ррт)** з подальшим зменшенням емісії NOx до 5 ррт і CO до 10 ррт. Досягнення таких низь­ких показників можливе тільки із застосуванням каталітичного горіння, яке гранично може забезпечити зниження рівня емісії NOx до 1 ррт.

Потреба застосування каталітичної технології в камерах згорання ГТУ зумовлена тенденцією підвищення початкової температури ГТУ в сучасних двигунах до 1200... 1300°С з доведенням цього показника в майбутньому до 1 600 °С.

Збільшення початкової температури ГТУ потребує за термодинамічни­ми умовами підвищення циклового тиску з 0,8... 1,0 МПа для низькотемпе­ратурних установок до 3,0 МПа для високотемпературних газових турбін.

• 1 ррт NOx = 2 мг/м³ N0x.

• **1 ррт CO = 1-10^{- 4} % об. CO.

Одночасне підвищення температури і тиску зумовлює зростання емі­сії термічних оксидів азоту.

У каталітичних камерах згорання передбачено об'єднання в одному тех­нологічному ланцюжку таких елементів: первинного пальника (для попере­днього підігріву повітря до 673...773 К), змішувача-стабілізатора (для досяг­нення потрібного рівня гомогенізації паливоповітряної суміші, яка подається на каталітичну насадку), каталітичного реактора (для реалізації низькотемпе­ратурного до 1273 К окиснювача горючої суміші) і термічного реактора (де відбувається догорання в режимі самозапалювання до 1273... 1773 К палива, що не «вигоріло», на каталізаторі реактора, і «третинного» палива, що пода­ється після реактора в зону гомогенного окиснювання).

Каталітичний реактор являє собою жаростійку пористу насадку (на ме­талічній або керамічній основі), на поверхню якої наносять шар (у вигляді тонкої плівки) каталізатора на основі платини Pt, паладію Pd та ін.

Виходячи з аналізу робочого процесу камер згорання ГТУ тради­ційного типу (на основі дифузійних технологій спалювання палива), модернізованого типу DLN* і камер згорання на основі застосування каталітичної технології, можна визначити головний фактор, який якіс­но обґрунтовує ефект зниження емісії NOx. Це стосується розподілу і рівня температур уздовж камери згорання. У традиційних камерах зго­рання (з дифузійним сумішоутворенням і розподілом повітря на пер­винне та вторинне) високого рівня температур досягають у первинній зоні горіння. Це стосується збільшення середнього і максимального рівня температур порівняно з рівнем температур, який відповідає ката­літичним камерам згорання. Ця обставина є основною причиною висо­кого рівня емісії NOx у традиційних камерах згорання порівняно з ка­мерами згорання, які працюють на бідній попередньо підготовленій суміші (DLN і каталітична технологія).

У каталітичних камерах згорання локальні максимуми температур з'являються тільки в зоні догорання первинного пальника. Вплив цього температурного максимуму на загальну емісію NOx невеликий за раху­нок малої частки подачі палива (до 20 %) на первинний пальник у но­мінальному режимі роботи, а в зоні каталітичного і термічного реакто­ра реалізується практично однорідне температурне поле в умовах нерів­номірності не більше 8 % від мінімального рівня середніх температур, що забезпечує істотне (на декілька порядків) зниження швидкості утворення термічних NOx.

* DLN (Dry - Low - NO,) - технології зниження емісії NO, на основі використання камер згорання з попереднім змішуванням палива і окиснювача.

Каталітичну технологію можна легко пристосувати як до нових перс­пективних типів ГТУ і ПГУ (які знаходяться на стадії проектування), так і для установок, що знаходяться в експлуатації (за рахунок відповідної реконструкції).