15 Слайд

Бинарный парогазовый цикл

Обратимся теперь к циклу, который лежит в основе развития современной энергетики – бинарному парогазовому циклу. Правильнее было бы назвать его газопаровым, потому что основная часть работа производится в верхней (газотурбинной) ступени. Еще одно встречающееся название подобного цикла – цикл Брайтона-Ренкина, поскольку данные циклы спользуются в первой и второй бинарных ступенях.

Здесь цикл 1–2–3–4–1 —цикл газотурбинной установки (цикл Брайтона) является первой (верхней) ступенью бинарного цикла. Подведенное к первой ступени тепло обозначено Q1, отводимое из газотурбинного тепло назовем бинарным Q_Б, Тем самым подчеркнем, что это тепло, которое может быть подведено ко второй (бинарной) ступени цикла. Чтобы максимально использовать Q_Б, цикл второй ступени должен соответствовать контуру a–b–c–3–d–a, форма которого близка к треугольнику, посему условно будем называть его «треугольным».

Среди технически освоенных в настоящее время термодинамических циклов ближе всего приближается к треугольному циклу цикл Ренкина на паре сверхкритических параметров. Однако возможности его применения пока ограничены. Последнее связано с тем, что для исключения повышенной влажности водяного пара в конце процесса расширения пара, его начальная температура должна быть на уровне 620–650 ºС, что пока ниже температуры газов на выходе большинства современных ГТУ. Таким образом, ограничивающим фактором применения цикла сверхкритических параметров является значение Т_КТ (см. рис. 2). Конечно, можно было бы применить цикл сверхкритических параметров не на воде, а на какой-либо низкокипящей жидкости, однако дороговизна таких жидкостей пока сдерживает их применение в энергетике.

Еще один путь повышения эффективности второй бинарной ступени сопряжен с дополнительным подводом тепла к выхлопным газам ГТУ за счет дожигания в них новой порции топлива. Избыток воздуха α в выхлопных газах ГТУ находится в пределах 2,5–4,5, поэтому в них технически возможно сжигание топлива. В результате удается увеличить количество генерируемого пара, его параметры, ввести промежуточный перегрев пара, улучшить маневренные качества установки и др. На рисунке пунктиром показан процесс дожигания топлива а–а' и соответствующее ему дополнительное тепло Qкд. На том же рисунке, также пунктиром, показана возможность увеличения параметров цикла Ренкина с перегревом до температуры, соответствующей точке а'.

Наиболее близок по форме к треугольному циклу цикл Ренкина с перегревом пара. На рисунке в треугольный цикл вписан простейший цикл Ренкина с одним перегревом пара. На рисунке ему соответствует контур a–c–d–e–a, охватывающий зачерненную площадь.

В приведенном классическом бинарном цикле имеет место только один подвод тепла Q1 в камере сгорания ГТУ. Нагревание, испарение и перегрев пара в нижней ступени осуществляется за счет передачи тепла уходящих газов ГТУ. Техническое устройство для передачи указанного тепла называется котлом-утилизатором. Котел-утилизатор является обычным конвективным газо-водяным теплообменником, имеющим как минимум три зоны: экономайзерную, испарительную зоны и зону пароперегрева.

Конечно, степень использования бинарного тепла Q_Б можно увеличить, если заменить во второй ступени один цикл Ренкина на несколько подобных совмещенных циклов разного давления. В пределе таким приемом можно дойти до треугольного цикла. Однако техническая реализация такого приема сложна и применима в ограниченных масштабах.