1. Методы совершенствования и пути развития газотурбинных установок. Парогазовые установки.

Благодаря повсеместному переходу в 90-е годы на использование природного газа в качестве основного топлива для электроэнергетики, газовые турбины заняли существенный сегмент рынка. Несмотря на то, что максимальная эффективность оборудования достигается на мощностях от 5 МВт и выше (до 300 МВт), некоторые производители выпускают модели в диапазоне 1-5 МВт.

Принцип работы газовых турбин состоит в следующем: газ, нагнетаемый в камеру сгорания компрессором, смешивается с воздухом, формируя топливную смесь, и поджигается. Образующиеся продукты горения с высокой температурой (900°С-1200°С), проходя через несколько рядов лопаток, установленных на валу турбины, приводят к вращению турбины. Механическая энергия вала передается через (понижающий) редуктор электрическому генератору. Тепловая энергия выходящих из турбины газов поступает в теплоутилизатор. Вместо производства электричества, механическая энергия турбины может использоваться для работы насосов, компрессоров и т.п. Наиболее традиционным видом топлива для газовых турбин является природный газ, хотя это не исключает возможности использования других видов газообразного топлива. При этом газовые турбины предъявляют повышенные требования к качеству его подготовки (механические включения, влажность).

Температура исходящих из турбины газов составляет 450°С - 550°С. Количественное соотношение тепловой энергии к электрической у газовых турбин составляет от 1.5:1 до 2.5:1, что позволяет строить когенерационные системы, различающиеся по типу теплоносителя:

• Непосредственное (прямое) использование отходящих горячих газов;

• Производство пара низкого или среднего давления (8-18 кг/см²) во внешнем котле;

• Производство горячей воды (лучше, когда требуемая температура превышает 140°С);

• Производство пара высокого давления.

КПД газовой турбины составляет 25% — 35%, в зависимости от параметров работы конкретной модели турбины и характеристик топлива. В составе когенерационных систем эффективность возрастает до 90% в расчете на условную единицу израсходованного топлива (по теплотворной способности). Газовые турбины обладают хорошими экологическими параметрами (эмиссия NO_x на уровне 25 ppm).

Работа турбины сопровождается высоким уровнем шума, поэтому для их установки используются индустриального типа здания (в том числе контейнерного типа), которые также обеспечивают влагозащищенность оборудования.

Анализ цикла простой ГТУ без регенерации, включающей в себя в качестве основных элементов компрессор, камеру сгорания и газовую турбину, показал нерегулярный ход зависимости КПД установки h в зависимости от степени повышения давления в компрессоре. При КПД камеры сгорания 0,97, внутреннем относительном КПД турбокомпрессора 0,88, турбины 0,87, температуре воздуха перед компрессором Т_а = 288 К изменение КПД установки h = (l_т – l_к) /q₁ (отношения разности работы расширения 1 кг газа в турбине и работы, затраченной на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре, к удельной подведенной энергии топлива) в зависимости от степени повышения давления воздуха e, степени повышения температуры газа t = Т₁/Т_а и температуры газа перед турбиной Т₁ представлены на рис. 27.

Видно, что существует оптимальное e, при котором КПД установки имеет максимальное значение. С увеличением t увеличивается e_опт вместе с ростом максимума КПД ГТУ. Однако, даже при Т₁ = 1273 К величина h_макс =0,34, т.е. ниже чем КПД паротурбинной установки.

Важнейшим способом повышения КПД ГТУ является использование теплоты отработанных в турбине газов для подогрева воздуха, идущего на горение (рис. 26). Эффективность регенерации оценивают степенью регенерации s, определяемой отношением количества теплоты, переданной воздуху, к предельно возможному количеству теплоты. Для большинства современных ГТУ s = 0,6 – 0,8. КПД установки с регенерацией снижается медленнее при снижении нагрузки, чем в случае работы без регенерации. С введением регенерации оптимальная степень повышения давления воздуха уменьшается. Регенерация позволяет повысить КПД ГТУ, например, для t = 4 и s = 0,8 с 0,3 до 0,38 Отмечается, что эффективность регенерации существенно зависит от гидравлического сопротивления системы. При значительном сопротивлении эффект от применения регенерации может быть сведен к нулю.

В отличие от паротурбинной установки, для которой коэффициент полезной работы близок к единице, полезная мощность ГТУ по сравнению с мощность развиваемой самой турбиной составляет всего 0,3 – 0,4. Влияние различных факторов на эффективность ГТУ, помимо регенеративного подогрева воздуха, сводится к следующему: увеличение относительной температуры t приводит к росту КПД, причем относительно большее влияние оказывает снижение температуры наружного воздуха, чем повышение температуры газов перед турбиной; в цикле без регенерации КПД турбины и компрессора влияют существеннее на эффективность работы установки, чем в цикле с регенерацией; потери давления в газовом и воздушном тракте заметно снижают КПД установки; утечки в уплотнениях влияют больше на эффективность газотурбинной установки, чем на эффективность паровой турбины; промежуточное охлаждение сжимаемого воздуха, как и промежуточный подвод теплоты для подогрева газа, увеличивают КПД установки, но при этом усложняется схема ГТУ и повышаются капитальные затраты. Реально перечисленные мероприятия по повышению эффективности ГТУ позволяют поднять ее КПД до 0,35 – 0,42, что лишь незначительно выше электрического КПД паротурбинных установок. Существенное же повышение эффективности преобразования топливной энергии в электрическую в настоящее время удается лишь при использовании комплексных парогазовых установок ПГУ. Применение ПГУ (с высоконапорными или низконапорными топками, с подогревом питательной воды теплотой отходящих газов и др.) реально позволяет увеличить тепловую эффективность комплексной системы до 0,44 – 0,46.

Одно из мало разработанных направлений использования ГТУ является их утилизационное применение в пирометаллургических технологиях, для которых характерна высокая температура покидающих технологические агрегаты газов. В этом случае наиболее целесообразно использовать в качестве рабочего тела воздух, нагреваемый в рекуператоре.

Простейшая открытая схема: забор воздуха из атмосферы, компрессор, рекуператор, газовая турбина, далее утилизатор низкопотенциальной теплоты. При отсутствии необходимого количества потребителей теплоты в виде пара или горячей воды производство электроэнергии с использованием ГТУ может оказаться весьма современным и эффективным. Кроме того, в отличие от котлов – утилизаторов газотурбинные установки весьма компактны и достаточно быстро окупаются. По различным оценкам КПД использования усвоенной воздухом теплоты составит около 0,2, при степени сжатия воздуха 5-6, температуре его подогрева 500 – 550 ^оС

Парогазовые установки (в англоязычном мире используется название combined-cycle power plant) — сравнительно новый тип генерирующих станций, работающих на газе или на жидком топливе.

Принцип работы самой экономичной и распространенной классической схемы таков. Устройство состоит из двух блоков: газотурбинной (ГТУ) и паросиловой (ПС) установок. В ГТУ вращение вала турбины обеспечивается образовавшимися в результате сжигания природного газа, мазута или солярки продуктами горения — газами. Образовавшиеся в камере сгорания газотурбинной установки продукты горения вращают ротор турбины, а та, в свою очередь, крутит вал первого генератора.

В первом, газотурбинном, цикле КПД редко превышает 38%. Отработавшие в ГТУ, но все еще сохраняющие высокую температуру продукты горения поступают в так называемый котел-утилизатор. Там они нагревают пар до температуры и давления (500 градусов по Цельсию и 80 атмосфер), достаточных для работы паровой турбины, к которой подсоединен еще один генератор. Во втором, паросиловом, цикле используется еще около 20% энергии сгоревшего топлива. В сумме КПД всей установки оказывается около 58%. Существуют и некоторые другие типы комбинированных ПГУ, но погоды в современной энергетике они не делают.

Как правило, такие системы используются генерирующими компаниями в случае, когда необходимо максимизировать производство электрической энергии. Когенерация в этом случае играет подчиненную роль и обеспечивается за счет отвода части тепла из паровой турбины. В принципе, комбинированные системы можно построить и на базе большинства типов двигателей, представленных на данном сайте.