818

Из корпуса воздушного компрессора выполняются отборы воздуха для охлаждения элементов газовой турбины. Для этого в его корпусе выполняют кольцевые камеры (8 на рис. 5.2), сообщаемые с пространством за соответствующей ступенью.

и проектированием. Поскольку мощность компрессора равна примерно мощности ГТУ, то ухудшение экономичности компрессора на 1 % приводит к снижению экономичности всей ГТУ на 2–2,5 %. Создание хорошего компрессора является одной из ключевых задач при проектировании ГТУ.

Камеры сгорания ГТУ отличаются большим разнообразием. В современных ГТУ используют в основном встроенные камеры сгорания: кольцевые и трубчато-кольцевые. На рис. 5.3 показана встроенная кольцевая камера сгорания. Кольцевое пространство для горения образовано внутренней 17 и наружной 11 пламенными трубами. Изнутри трубы облицованы специальными вставками 13 и 16, имеющими термобарьерное покрытие со стороны, обращенной к пламени; с противоположной стороны вставки имеют оребрение, улучшающее их охлаждение воздухом, поступающим через кольцевые зазоры между вставками внутрь пламенной трубы. Таким образом достигается температура пламенной трубы 750–800 °С в зоне горения. Фронтовое микрофакельное горелочное устройство камеры включает несколько сотен горелок 10, к которым подается газ из четырех коллекторов 5–8. Отключая коллекторы поочередно, можно изменять мощность ГТУ.

Устройство горелки показано на рис. 5.4. Из коллектора газ поступает по сверлению в штоке 3 к внутренней полости лопаток 6 завихрителя. Последний представляет собой полые радиальные прямые лопатки, заставляющие воздух, поступающий из камеры сгорания, закручиваться и вращаться вокруг оси штока. В этот вращающийся воздушный вихрь поступает природный

91

газ из внутренней полости лопаток завихрителя 6 через мелкие отверстия 7. При этом образуется однородная топливно-воз- душная смесь, выходящая в виде закрученной струи из зоны 5. Кольцевой вращающийся вихрь обеспечивает устойчивое горение газа.

Газовая турбина является наиболее сложным элементом ГТУ, что обусловлено в первую очередь очень высокой температурой рабочих газов, протекающих через ее проточную часть: температура газов перед турбиной 1350 °С в настоящее время считается стандартной, и ведущие фирмы-производители подобного оборудования, работают над освоением начальной температуры 1500 °С. Напомним, что стандартная начальная температура для паровых турбин составляет 540 °С, а в перспективе –

600–620 °С.

Стремление повысить начальную температуру связано, прежде всего, с увеличением при этих условиях экономичности установки. Повышение начальной температуры с 1100 до 1450 °С дает увеличение абсолютного КПД с 32 до 40 %, т.е. приводит к экономии топлива 25 %. В то же время часть этой экономии связана не только с повышением начальной температуры, но и с совершенствованием других элементов ГТУ.

5.3. Преимущества, недостатки и области применения ГТУ

Главным преимуществом ГТУ является ее компактность. Действительно, в ГТУ отсутствует паровой котел – сооружение, достигающее большой высоты и требующее для установки отдельного помещения. Связано это обстоятельство с высоким давлением в камере сгорания (1,2–2,0 МПа), в котле же горение происходит при атмосферном давлении, и соответственно, объем образующихся горячих газов оказывается в 12–20 раз больше.

Другим преимуществом выступает тот факт, что в ГТУ процесс расширения газов происходит в газовой турбине, со-

93

стоящей всего из 3–5 ступеней, в то время как паровая турбина, имеющая такую же мощность, состоит из 25–30 ступеней. Даже с учетом камеры сгорания и воздушного компрессора ГТУ мощностью 150 МВт имеет длину 8–12 м, а длина паровой турбины такой же мощности при трехцилиндровом исполнении в 1,5 раза больше. При этом для паровой турбины кроме котла необходимо предусмотреть установку конденсатора с циркуляционными и конденсатными насосами, систему регенерации из 7–9 подогревателей, питательные турбонасосы (от одного до трех), деаэратор. Таким образом, ГТУ может быть установлена на бетонное основание на нулевой отметке машинного зала, а паротурбинная установка требует рамного фундамента высотой 9–16 м с размещением паровой турбины на верхней фундаментной плите и вспомогательного оборудования – в конденсационном помещении.

Компактность ГТУ позволяет осуществить ее сборку на турбинном заводе, доставить ее в машинный зал железнодорожным или автодорожным транспортом для установки на простом фундаменте. Так, в частности, транспортируется ГТУ со встроенными камерами сгорания. ГТУ не требует охлаждающей воды. Как следствие, в ГТУ отсутствует конденсатор и система технического водоснабжения с насосной установкой и градирней (при оборотном водоснабжении). Все это приводит к тому, что стоимость 1 кВт установленной мощности газотурбинной электростанции значительно ниже стоимости 1 кВт на конденсационной станции. При этом стоимость ГТУ (компрессора, камеры сгорания, газовой турбины) из-за ее сложности оказывается в 3–4 раза выше, чем стоимость паровой турбины такой же мощности.

Важным преимуществом ГТУ является ее высокая маневренность, определяемая малым уровнем давления (по сравнению с давлением в паровой турбине) и, следовательно, легким прогревом и охлаждением без возникновения опасных температурных напряжений и деформаций.

94

6. ТЕПЛОФИКАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И НАСЕЛЕНИЯ КРУПНЫХ ГОРОДОВ

6.1. Общие вопросы теплофикации

Жизнь человека связана с широким использованием не только электрической, но и тепловой энергии. В соответствии с санитарными нормами деятельность человека на предприятиях и дома должна протекать в определенных комфортных условиях: все помещения должны отапливаться, вентилироваться, снабжаться горячей водой для бытовых целей; в жилых помещениях температура воздуха должна составлять +18 °С, в поликлиниках, больницах, детских учреждениях +20 °С, в общественных зданиях +16 °С. Эти комфортные условия могут быть реализованы только при постоянном подводе к объекту отопления (теплоприемнику) вполне определенного количества тепла, которое зависит от температуры наружного воздуха. Для этих целей чаще всего используется вода температурой 80–90 °С.

Для различных технологических процессов промышленных предприятий (например, сушки, окраски, работы паровых молотов) требуется так называемый производственный пар давлением 1–3 МПа.

Тепло, используемое человеком для бытовых нужд, является низкопотенциальным, т.е. теплоноситель имеет относительно невысокую температуру и давление, поскольку именно это позволяет организовать высокоэкономичное производство электрической и тепловой энергии на ТЭЦ.

В общем случае снабжение любого объекта тепловой энергией обеспечивается системой, состоящей из трех основных элементов: источника тепла (например, котельной), тепловой сети (например, трубопроводов горячей воды или пара) и теплоприемника (например, батареи водяного отопления).

Если источник теплоты и теплоприемник практически совмещены, т.е. тепловая сеть либо отсутствует, либо очень ко-

96

ротка, то такую систему теплоснабжения называют децентрализованной. Примером такой системы является печное или электрическое отопление. В свою очередь, децентрализованное теплоснабжение может быть индивидуальным, при котором в каждом помещении используются индивидуальные отопительные приборы (например, электронагреватели), или местным (например, обогрев здания с помощью индивидуальной котельной или теплонасосной установки). Теплопроизводительность таких котельных не превышает 1 Гкал/ч (1,163 МВт). Мощность тепловых источников индивидуального теплоснабжения невелика и определяется конкретными потребностями.

Альтернативой децентрализованному является централизованное теплоснабжение. Его характерный признак – наличие разветвленной тепловой сети, от которой питаются многочисленные абоненты (заводы, фабрики, общественные здания, жилые дома и т.д.). Для централизованного теплоснабжения используются два вида источников – котельные и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).

Степень централизации теплоснабжения может быть различной. В зависимости от числа теплоприемников, питаемых от одного теплоисточника, различают централизованное теплоснабжение групповое (питается группа зданий от групповой

10–50 Гкал/ч), районное (питается район – несколько групп зданий), городское (питается несколько районов города), межгородское (питается несколько городов).

Выбор типа теплоснабжения неоднозначен, поскольку он определяется не только техническими и технико-экономически- ми преимуществами и недостатками того или иного типа. Он также зависит от финансовых возможностей тех или иных потребителей. Если бы, например, население России имело достаточно средств для оплаты электроэнергии для целей отопления, то использование электронагревательных приборов было бы,

97

наверное, самым комфортным и экологичным. Но при этом следует помнить, что ее стоимость будет не меньше, чем стоимость электроэнергии, которая получена на ТЭС из топлива с использованием только 40 % теплоты, заключенной в нем, с учетом потерь в электрических сетях.

Несмотря на отмеченные трудности, можно с уверенностью сказать, что для большинства крупных северных городов с населением более 100 тыс. чел. наиболее рациональным является централизованное теплоснабжение на базе ТЭЦ. Оно позволяет не только сэкономить значительное количество топлива, но и существенно сократить вредные выбросы в атмосферу, сэкономить дорогие городские площади.

6.2. Тепловые сети крупных городов

Тепловая сеть – это сложное инженерно-строительное сооружение, служащее для транспорта тепла с помощью теплоносителя (воды или пара) от источника (ТЭЦ или котельной) к тепловым потребителям. От коллекторов прямой (нагретой) сетевой воды ТЭЦ с помощью магистральных теплопроводов горячая вода подается в городской массив. Магистральные теплопроводы имеют ответвления, к которым присоединяется внутриквартальная разводка к центральным тепловым пунктам (ЦТП). В ЦТП находится теплообменное оборудование с регуляторами, обеспечивающее снабжение квартир и помещений горячей водой.

Тепловые магистрали соседних ТЭЦ и котельных для повышения надежности теплоснабжения соединяют перемычками с запорной арматурой, которые позволяют обеспечить теплоснабжение при авариях и ревизиях отдельных участков тепловых сетей и источников теплоснабжения. Таким образом, тепловая сеть города – это сложнейший комплекс теплопроводов, источников тепла и его потребителей.

Теплопроводы могут быть подземными и надземными. Надземные теплопроводы обычно прокладывают по территори-

98

ям промышленных предприятий и промышленных зон, не подлежащих застройке, при пересечении большого числа железнодорожных путей, т.е. везде, где либо не вполне эстетичный вид теплопроводов не играет большой роли, либо затрудняется доступ к ревизии и ремонту теплопроводов. Надземные теплопроводы долговечнее и лучше приспособлены к ремонтам.

В жилых районах из эстетических соображений используется подземная прокладка теплопроводов, которая бывает бесканальной и канальной. При бесканальной прокладке участки теплопровода укладывают на специальные опоры непосредственно на дне вырытых грунтовых каналов, сваривают между собой стыки, защищают их от воздействия агрессивной среды и засыпают грунтом. Бесканальная прокладка – самая дешевая, однако теплопроводы испытывают внешнюю нагрузку от грунта (заглубление теплопровода должно быть 0,7 м), более подвержены воздействию агрессивной среды (грунта) и менее ремонтопригодны.

При канальной прокладке теплопроводы помещаются в каналы из сборных железобетонных элементов, изготовленных на заводе. При такой прокладке теплопровод разгружается от гидростатического действия грунта, находится в более комфортных условиях, в большей степени доступен для ремонта.

По возможности доступа к теплопроводам каналы делятся на проходные, полупроходные и непроходные. В проходных каналах кроме трубопроводов подающей и обратной сетевой воды размещают водопроводные трубы питьевой воды, силовые кабели и т.д. Это наиболее дорогие каналы, но и наиболее надежные, так как позволяют организовать постоянный доступ для ревизий и ремонта без нарушения дорожных покрытий и мостовых. Такие каналы оборудуются освещением и естественной вентиляцией.

Непроходные каналы позволяют разместить в себе только подающий и обратный теплопроводы, для доступа к которым необходимо срывать слой грунта и снимать верхнюю часть ка-

99

нала. В непроходных каналах и бесканально прокладывается большая часть теплопроводов.

Полупроходные каналы сооружают в тех случаях, когда к теплопроводам необходим постоянный, но редкий доступ. Полупроходные каналы имеют высоту не менее 1400 мм, что позволяет человеку передвигаться в нем в полусогнутом состоянии, выполняя осмотр и мелкий ремонт тепловой изоляции.

Наибольшую опасность для теплопроводов представляет коррозия внешней поверхности, происходящая вследствие воздействия кислорода, поступающего из грунта или атмосферы вместе с влагой; дополнительным катализатором являются диоксид углерода, сульфаты и хлориды, всегда имеющиеся в достаточном количестве в окружающей среде. Для уменьшения коррозии теплопроводы покрывают многослойной изоляцией, обеспечивающей низкое водопоглощение, малую воздухопроводность и хорошую теплоизоляцию.

Наиболее полно этим требованием удовлетворяет конструкция, состоящая из двух труб – стальной (теплопровод) и полиэтиленовой, между которыми размещается ячеистая полимерная структура пенополиуретана. Последний имеет теплопроводность втрое ниже, чем обычные теплоизолирующие материалы.

100