6.5. Принципиальные схемы газотурбинных, парогазовых и атомных тепловых электростанций.

Принципиальная схема газотурбинной (ГТ) ТЭС приведена на рис. 6.9.

а)

Рис. 6.9. Схема (а) и цикл ГТ ТЭС (б).

КВД – компрессор высокого давления; ТВД – турбина высокого давления; КСВД – камера сгорания высокого давления; КНД – компрессор низкого давления; ТНД – турбина низкого давления; КСНД – камера сгорания низкого давления; Г – генератор; ВО – воздухоохладитель.

Газотурбинная установка выполнена двухвальной (рис. 6.9). На одном валу расположена КВД и турбина ТВД , этот вал имеет переменную частоту вращения. На втором валу расположены турбина ТНД, приводящая компрессор КНД и генератор Г, частота вращения вала 50с^-1. Воздух поступает в компрессор КНД и сжимается в нем до 430 – 450 кПа (4,3 – 4,5 ат). Затем подается в воздухоохладитель ВО, где охлаждается водой с 176 до 35⁰С. Это позволяет уменьшить работу сжатия в компрессоре КВД. Из него воздух поступает в камеру КС ВД и продукты сгорания из КСВД с температурой 750⁰С поступают в ТВД. Из ТВД газы, содержащие большое количество кислорода, поступают в камеру КСНД, в которой сжигается дополнительное топливо, а из нее – в ТНД. Отработавшие газы температурой 390⁰С выходят в дымовую трубу. КПД ГТУ 28 – 34 %.

Уходящие газы обладают значительным теплосодержанием. Для повышения КПД ТЭС разработаны парогазовые тепловые электростанции (ПГ ТЭС), схема ПГ ТЭС изображена на рис. 6.10. В ПГ ТЭС теплота уходящих газов ГТУ используются для выработки электроэнергии в паротурбинном цикле.

а)

Рис. 6.10. Схема (а) и цикл парогазовой ТЭС с бинарной ПГУ утилизационного типа (б)

К_о – компрессор; Т – топливо; В – воздух; П – пар; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; КУ – котел – утилизатор; ПП – пароперегреватель; Б – барабан; ОТ_р – опускные трубы; ПТ_р – подъемные трубы; Э – экономайзер; ПН – питательный насос; К – конденсатор; ПТ – паровая турбина; Г – генератор; УГ – уходящие газы.

Уходящие газы ГТ поступают в котел-утилизатор КУ – теплообменник противоточного типа, в котором за счет тепла горячих газов генерируется пар П высоких параметров, направляемый в паровую турбину ПТ, где расширяясь совершает работу. Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор К, конденсируется и питательным насосом ПН направляется снова в котел-утилизатор. КПД ПГУ составляет 58-60%.

На рис. 6.10 изображена ПГУ бинарная, в которой рабочие тела газотурбинного и паротурбинных циклов разделены. Кроме бинарных ГТУ используются монарные ПГУ в которых рабочим телом турбины является смесь продуктов сгорания и водяного пара (рис. 6.11).

а)

Рис. 6.11. Принципиальная схема (а) и цикл монарной парогазовой установки (б).

Выходные газы из парогазовой турбины ПГТ направляется в котел-утилизатор КУ, сюда же подается вода питательным насосом ПН. Получаемый в КУ пар поступает в камеру сгорания КС, смешивается с продуктами сгорания и образующаяся однородная смесь поступает в парогазовую турбину ПГТ, где расширяясь, преобразуется в механическую работу.

Бинарные ПГУ классифицируются следующим образом.

1. Утилизационные с утилизацией тепла газов в КУ.

2. Со сбросом выходных газов ГТУ в энергетический котел. В них используются выходные газы в качестве окислителя для топлива ПТУ. Имеют высокотемпературный кислород, отпадает необходимость в воздухоподогревателе. Соотношение мощностей ПТУ и ГТУ и КПД следующие: Р_ПТУ – 2/3; Р_ГТУ – 1/3; η_ПТУ=44%.

3. ПГУ с вытеснением регенерации в которых регенеративные подогреватели отключаются от паровой турбины, а для подогрева питательной воды котла используется тепло уходящих газов ГТУ.

4. ПГУ с высоконапорным парогенератором.

В парогенератор подается воздух из компрессора ГТУ, поэтому котел (парогенератор) находится под высоким давлением. Газ из ГТУ идет в газовый подогреватель конденсата ПТУ.

Вследствие высоких температур и для повышения срока службы лопатки и пламенные трубы ГТУ покрывают термобарьерным покрытием из диоксида циркония.

Ядерный реактор атомной электростанции (АЭС) это аналог парового котла в ПТУ ТЭС. Сама ПТУ АЭС принципиально не отличается от ПТУ ТЭС: она содержит паровую турбину, конденсатор, питательный насос (рис. 6.12). Так же как и ТЭС, АЭС потребляет громадное количество воды для конденсации пара. Двухконтурная АЭС состоит из двух контуров, расположенных в реакторном и паротурбинном отделениях. Реакторный контур включает в себя реактор, через который с помощью ГЦН прокачивается вода под давлением 160 ат. Вода может закипеть только при температуре 346⁰С, следовательно вода циркулирует без образования пара.

Из ядерного реактора вода поступает в парогенератор – кипятильник, выпаривающий воду при повышенном давлении. Давление в парогенераторе р₀=60 ат, поэтому вода закипает при температуре 275⁰С. Свежий пар из парогенератора направляется в ЦВД паровой турбины, где расширяется до давления 10 ат.

а)

Рис. 6.12. Схема (а) и TS-диаграмма двухконтурной АЭС с водно-водяным реактором (цифры относятся к ВВЭР – 1000).

ЯР – ядерный реактор; ПГ – парогенератор; ГЦН – главный циркуляционный насос; ПН – питательный насос; С-ПП – сепаратор-пароперегреватель; ЦВД – цилиндр высокого давления; ЦНД – цилиндр низкого давления; Д – деаэратор; ПНД, ПВД – подогреватели низкого и высокого давления.

Влажность пара достигает 10-12% поэтому пар из ЦВД направляется в сепаратор-пароперегреватель С-ПП. В сепараторе влага отделяется от пара и он поступает в пароперегреватель. Из пароперегревателя пар параметрами 10ат, 250⁰С поступает в ЦНД, откуда, расширившись, поступает в конденсатор. Во втором контуре циркулирует нерадиоактивная среда, что упрощает эксплуатацию и повышает безопасность АЭС.