1.2.14 Циклы парогазовых установок

Парогазовый цикл – это бинарный цикл, в котором первым рабочим телом в области высоких температур являются продукты сгорания топлива, а вторым в области низких температур – водяной пар.

Парогазовые установки (ПГУ) – это последовательно соединенные газовая и паровая тепловые установки.

Температура газов на входе в паровую турбину газотурбинной установки (ГТУ) составляет 900…1000^оС, а на выходе – более 350^оС.

Температура перегретого водяного пара на входе в паровую турбину паросиловой установки (ПСУ) достигает 600…650 ^оС, а температура влажного насыщенного пара в конденсаторе ПСУ – лишь 25…30 ^оС.

Организация бинарного цикла с этими рабочими телами позволяет получить температурный перепад от 900…1000 ^оС до 25…30^оС, и за счет этого значительно повысить термический КПД всей установки до значений 0,40…0,45.

Идеальный паровой цикл представлен на рис.1.43.

Рис.1.43 Идеальный цикл парогазовой установки:

_ _ _ _ - газовый цикл;

- пароводяной цикл.

Газовый цикл:

1г-2г – адиабатное расширение газа;

2г-3г – изобарный отвод теплоты от газа;

3г-4г – адиабатное сжатие газа;

4г-1г – изотермический подвод теплоты к газу.

Пароводяной цикл:

1-2 – адиабатное расширение пара;

2-3 – изотермический отвод теплоты от пара;

3-4 – адиабатное сжатие воды;

4-1 – изобарный подвод теплоты к пару.

Передача теплоты от газа в изобарном Р_2Г=constпроцессе 2г-3г к пароводяному рабочему телу, совершающему изобарный Р₁=constпроцесс 4-1, происходит в теплообменном аппарате.

Изотермический подвод теплоты к газу 4г-1г практически можно осуществить лишь приближенно, за счет многоступенчатого подвода теплоты при расширении газа.

Изотермический отвод теплоты 2-3 в пароводяном цикле можно осуществить в конденсаторе водяного пара при Р₂=const.

Газовый цикл в парогазовом цикле является открытым, поскольку продукты сгорания топлива (первое рабочее тело) выбрасываются в окружающую среду после теплообмена с водяным рабочим телом.

Пароводяной цикл – закрытый, поэтому в нем могут использоваться не только вода, но и другие вещества, например, углекислый газ (СО₂).

Так как реализация изотермического подвода теплоты в паровом цикле сопряжена с серьезными техническими проблемами, то используется изобарный Р_1Г=constподвод теплоты, входящий в цикл газотурбинной установки. В идеальном цикле ПГУ с газовым циклом ГТУ на рис.1.44 подвод теплоты происходит в изобарном процессе расширения газа 4г-1г. Коэффициент заполнения такого цикла приближается к единице.

Рис.1.44 Идеальный цикл парогазовой установки с газовым циклом, совершаемым газотурбинной установкой:

_ _ _ _ - цикл ГТУ (газовый цикл);

- пароводяной цикл.

Комбинированные турбинные установки на органическом топливе делятся на 2 типа:

1. Парогазовые установки (ПГУ);

2. Газопаровые установки (ГПУ).

В ПГУ основная доля теплоты подводится с топливом в паротурбинную часть, а в ГПУ – в камеру сгорания газотурбинной установки.

По взаимодействию рабочих тел ПГУ и ГПУ делятся на 2 группы:

1. С разделенными контурами, в которых пароводяное рабочее тело и продукты сгорания топлива движутся по самостоятельным трактам в газовую и паровую части установок и передают теплоту в теплообменных аппаратах поверхностного типа, то есть без смешивания;

2. Контактного типа, когда пароводяное рабочее тело и продукты сгорания топлива смешиваются перед поступлением в газопаровую турбину.

В дальнейшем рассматриваются только парогазовые установки с разделенными контурами (потоками), которые в свою очередь подразделяются по схемам на:

а) параллельные с высоконапорными парогенераторами (ВПГ);

б) последовательные с низконапорными парогенераторами (НПГ), называемые также ПГУ со сбросом теплоты, или ПГУ сбросного типа.

В ПГУ с НПГ продукты сгорания топлива в газотурбинной установке поступают либо в топку котла для дожигания и газоводяной подогреватель питательной воды (экономайзер), либо сразу в подогреватель питательной воды, называемый газовым подогревателем. Схема ПГУ в НПГ и газовым подогревателем представлена на рис.1.45.

Рис.1.45 принципиальная схема парогазовой установки со сбросом теплоты и газовым подогревателем питательной воды:

ТН – топливный насос;

КС – камера сгорания;

ВК – воздушный компрессор;

ТБ – топливный бак;

ГТ – газовая турбина;

ЭГ – электрогенератор;

КА – котлоагрегат;

ПП – пароперегреватель;

ПК – паровой котел;

ГП – газовый подогреватель;

ПН – питательный насос;

ПТ – паровая турбина;

К – конденсатор;

ЦН – циркуляционный насос.

Воздух сжимается компрессором ВК и подается в камеру сгорания, где образует с топливом смесь, сгорающую при постоянном давлении (Р_1Г=const) в камере сгорания КС. Продукты сгорания топлива поступают в газовую турбину ГТ, где расширяются, совершая работу, передаваемую электрогенератору ЭГ.

Газы, отработавшие в газовой турбине ГТ, подаются в газовый подогреватель ГП для подогрева питательной воды паросиловой установки, а затем удаляются в атмосферу.

Большое количество утилизируемой теплоты продуктов сгорания топлива в этом случае позволяет полностью отключить регенеративные подогреватели питательной воды ПСУ, что приводит к увеличению термического КПД и мощности установки. Экономия топлива за счет утилизации теплоты отходящих газов газотурбинной установки достигает 15%. Эффективность ПГУ выше, чем у ПСУ и ГТУ по отдельности.

В парогазовой установке с параллельной схемой и высоконапорным парогенератором (ВПГ) камера сгорания и парогенератор обычно совмещены. Топливная смесь сгорает в камере сгорания при высоком давлении, при этом часть теплоты сгорания сразу идет на парообразование и перегрев пара, после чего продукты сгорания с пониженной температурой поступают на вход газовой турбины. Температурный напор при теплопередаче в ВПГ значительно выше, чем в НПГ, что объясняет название парогенераторов «высоконапорный» и «низконапорный». НА рис.1.46 представлена схема ПГУ с ВНП и газоводяным подогревателем питательной воды.

Рис.1.46 Схема парогазовой установки с высоконапорным парогенератором и газоводяным подогревателем:

ВК – воздушный компрессор;

ВПГ – высоконапорный парогенератор;

ПП – пароперегреватель;

ГТ – газовая турбина;

ЭГ – электрогенератор;

ПГВ – газоводяной подогреватель;

ПН – питательный насос;

К – конденсатор;

ПТ – паровая турбина;

ЦН – циркуляционный насос.

Газоводяной подогреватель питательной воды (экономайзер) ПГВ позволяет увеличить термический КПД за счет частичного отказа от регенеративных подогревателей.

Воздух (окислитель) сжигается в компрессоре ВК и подается в высоконапорный парогенератор ВПГ, где смешивается с жидким или газообразным топливом. Продукты сгорания этой смеси (топливной смеси), отдав часть теплоты водяному пару в самом ВПГ, направляются в газовую турбину ГТ, с которой соединен электрогенератор ЭГ. Отработав в ГТ, продукты сгорания с пониженной энтальпией и давлением направляются в газовый подогреватель ПГВ, где подогревают питательную воду, подаваемую в парогенератор ВПГ. Отдав теплоту питательной воде, в ПГВ, продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. В схеме ПГУ с ВПГ отсутствует паровой котел, функции которого выполняет испарительная поверхность в ВПГ.

Рис.1.47 Цикл парогазовой установки с высоконапорным парогенератором и газоводяным подогревателем

Процессы в газовом цикле:

4г-1г’ - изобарное расширение при Р_1Г=constпродуктов сгорания топливной смеси с подводом теплоты сгорания (теплоты химических реакций горения), изображаемой площадью а-4г-1г’-е-а и выделяемой в камере сгорания ВПГ;

1г’-1г – изобарная передача теплоты при Р_1Г=constот продуктов сгорания к пароводяному рабочему телу через испарительные поверхности и пароперегреватель ПП высоконапорного парогенератор с понижением температуры от Т’_Г1до Т_Г1 (площадь с-1г-1г’-е-с);

1г-2г – адиабатное расширение продуктов сгорания с начальной температурой Т_Г1и давлением Р_1Гдо давления Р_2Ги температуры Т_Г2в газовой турбине ГТ;

2г-3г – изобарная передача теплоты при Р_2Г=constот продуктов сгорания, отработавших в газовой турбине, к питательной воде в газоводяном подогревателе ПГВ (площадь а-3г-2г-с-а). В точке 3г продукты сгорания, охладившиеся в ПГВ до температуры Т_Г3, выбрасываются в атмосферу;

3г-4г – адиабатное сжатие свежей порции воздуха в воздушном компрессоре ВК от давления Р_2Гдо Р_1Гс повышением температуры топливной смеси до Т_Г4;

Процессы в пароводяном цикле:

4-Р – регенеративный подогрев питательной воды в газоводяном подогревателе ПГВ при Р₁=constтеплотой газового процесса 2г-3г;

Р-5 – подогрев в ВПГ питательной воды из ПГВ до температуры кипения при Р₁=const;

5-6 – парообразование в ВПГ за счет части теплоты газового процесса 1г’-1г;

6-1 – перегрев пара в пароперегревателе ПП за счет части теплоты газового процесса 1г’-1г;

1-2 – адиабатное расширение пара в паровой турбине ПТ от Р₁до Р₂с повышением температуры от Т₁до Т₂;

2-3 – конденсация водяного пара в конденсаторе К при Р₂=constи Т₂=const;

3-4 – адиабатное сжатие воды от Р₂до Р₁в питательном насосе ПН с повышением температуры от Т₃до Т₄.

Полезная работа пароводяного цикла

(1.64)

Полезная работа газового цикла:

(1.65)

Полезная работа обоих циклов:

(1.66)

И

ли

(1.67)

П

одведенная теплота к обоим рабочим телам в теоретическом цикле парогазовой установки с ВПГ

Термический КПД парогазовой установки с ВПГ

(1.68)

Парогазовые установки с высоконапорными парогенераторами более эффективны, чем ПГУ с НПГ.