2.7. Комбинированные силовые установки
2.7.1. Парогазовая установка
На рис. 2.27 представлена принципиальная схема (а) и теоретический цикл (б) комбинированной энергоустановки, созданной на базе газотурбинного (ГТД) и паротурбинного (ПТД) двигателей, применяемых на электростанциях.
|
|
а |
б
|
Рис. 2.27. Принципиальная схема (а) и цикл (б) комбинированной установки: 1 – воздушный компрессор; 2 – парогазогенератор; 3 – газовая турбина; 4 – регенератор; 5 – пароперегреватель; 6 – электрогенератор; 7 – паровая турбина; 8 – конденсатор; 9 – насос конденсатный |
|
Принцип работы установки следующий. Атмосферный воздух сжимается адиабатически в компрессоре 1 (процесс 1-2) и подается в парогенератор 2, где осуществляется подвод теплоты (процесс 2-3-4). Продукты сгорания высокой температуры и давления адиабатически расширяются в газовой турбине 3 (процесс 4-5), совершая работу. Часть работы расходуется на привод компрессора 1, а другая часть на привод электрогенератора 6. Продукты сгорания относительно высокой температуры направляются в регенеративный воздухоподогреватель (на схеме он отсутствует) и далее в регенератор 4 котла-парогенератора 2. Процессы 5-6 – отдача теплоты воздуху в регенеративном воздухоподогревателе; 6-7 – отдача теплоты воде в регенераторе котла-парогенератора; 7-1 – отвод теплоты к холодному источнику (с продуктами сгорания, выбрасываемыми в атмосферу). Процессы цикла паросиловой установки известны.
Использование комбинированной установки, созданной на базе ГТД и ПТД, позволяет увеличить интервал между экстремальными температурами цикла (для ГТД tMAX = 800–1000 ОС, для ПТД tMIN = 20–30 ОС), а также получить ряд других выгод от соединения достоинств и исключения недостатков этих двигателей (уменьшить расход воды, обеспечить прочность турбин и т.д.).
Увеличение термического КПД такой комбинированной установки по сравнению с отдельными ГТД и ПТД происходит за счет уменьшения количества теплоты, затрачиваемой на образование пара в котле. Полезная же работа остается неизменной, т.е. равной сумме работ, совершаемых в обоих циклах в отдельности. Тогда КПД комбинированного цикла выразится отношением
где wГ и wП – работа соответственно в ГТД и ПТД; qГ1 и qП1 – теплота, подводимая в циклах от постороннего источника.
КПД комбинированных циклов ГТД–ПТД достигает 50–55 %.
2.7.2. Установка для комплексного производства теплоты и твердого диоксида углерода
Установка состоит (рис. 2.28) из газотурбогенератора I, теплоутилизационной части II и холодильной части III [2]. Газотурбогенератор предназначен для получения газовоздушной смеси с высокой температурой и избыточным давлением, теплоутилизационная часть – для получения пара и горячей воды за счет тепловой энергии газовоздушной смеси, холодильная часть – для получения твердого диоксида углерода при расширении продуктов сгорания топлива, имеющих избыточное давление.
а
|
б |
Рис. 2.28. Принципиальная схема (а) и цикл (б) теплохладоэнергетического агрегата: Н – нагнетатель; ПХ – промежуточный холодильник; К – компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; Э – экономайзер; ВО – влагоотделитель; Р регенеративный теплообменник; ТД – турбодетандер; С – сепаратор СО2; ЭД электродвигатель |
|
Засасываемый из атмосферы воздух сжимается турбонагнетателем Н и через водяной промежуточный холодильник ПХ (процесс 1-2-3) подается в компрессор К, где сжимается (процесс 3-4). Сжатый воздух нагнетается в камеру сгорания КС и подогревается (процесс 4-5) до температуры 1000 – 1200 К при сжигании жидкого или газообразного топлива. Высокотемпературная газовоздушная смесь поступает на частичное расширение в газовую турбину ГТ (процесс 5-6), мощность которой используется для привода компрессора, и затем в экономайзер Э, где благодаря теплообмену с питательной водой (процесс 6-7) вырабатывается пар или горячая вода. Далее газовый поток, пройдя влагоотделитель ВО, направляется в холодильную часть, где охлаждается (процесс 7-8) обратным потоком в регенераторе Р.
При расширении продуктов сгорания топлива (ПСТ) в турбодетандере (процесс 8-9) температура потока снижается ниже температуры насыщения твердого диоксида углерода (СО2) и происходит выпадение твердой фазы СО2, которая затем отделяется в сепараторе С. Обратный поток газов направляется в блок регенераторов, охлаждает прямой поток (процесс 10-11) и затем выбрасывается в атмосферу. Работа расширения парогазовой смеси в турбодетандере используется для частичной компенсации энергии, потребляемой нагнетателем от асинхронного электродвигателя ЭД.
Таким образом, сущность работы установки заключается в поэтапном охлаждении ПСТ, вырабатываемых газотурбогенератором при повышенном давлении и температуре в экономайзере, для получения пара или горячей воды, и дальнейшем охлаждении в регенеративном теплообменнике и турбодетандере.
В рассматриваемой схеме ПСТ не только совершают работу в газовой турбине и турбодетандере, но и являются холодильным агентом. Это приводит к снижению энергетических потерь, связанных с преобразованием энергии, имеющих место в обычных теплосиловых и холодильных установках. Повышение давления газа в теплоутилизационной части и конденсация водяных паров, присутствующих в ПСТ, увеличивает коэффициент теплопередачи и позволяет уменьшить поверхность теплообменных аппаратов и их металлоемкость.
Важной особенностью процесса охлаждения в экономайзере является использование теплоты конденсации водяных паров продуктов горения. В рабочем процессе цикла используется высшая теплотворная способность топлива. Известно, что разность между высшей и низшей теплотворной способностью, например, для природного газа, составляет 12 %, вследствие чего утилизация этой низкопотенциальной теплоты в цикле обеспечивает значительное повышение теплового эффекта.
Следует отметить, что высокий экологический эффект установки связан с уменьшением загрязнений окружающей среды вследствие снижения теплопотерь и выбросов СО2 и токсичных окислов азота и серы в атмосферу с отработавшими ПСТ. Совместная конденсация окислов азота и серы с водяными парами происходит в теплоутилизационной части установки.