Проект газопаровой установки с подачей воды в камеру сгорания и использованием получающейся парогазовой смеси в качестве рабочего тела турбины был разработан Павлом Дмитриевичем Кузьминским. В 1892 году им была построена газопаровая турбина небольшой мощности. В его установке было применено горение топлива (керосина) при p = const и охлаждение продуктов сгорания (перед многоступенчатой радиальной турбиной) путем разбавления их водяным паром, т. е. установка была газопаровой (монарного типа).
И горение, и разбавление продуктов сгорания паром осуществлялись в одной и той же камере, которая была названа П. Д. Кузьминским «газопарородом». О ней Кузьминский писал:
«Осуществление газопаророда находится в тесной зависимости с построенной еще в 1894 году частью турбинной машины-двигателя моей же системы, дающей возможность не только иметь большое расширение смеси продуктов сгорания и паров охлаждающей жидкости, но и иметь так называемый передний и задний ход, т.е. вращать вал то в одну, то в другую сторону».
Схема турбины и камеры-«газопаророда» изображена на рис. 3.23. Камера сорания 3 состоит из внутреннего цилиндра и наружного корпуса. Между ними размещен спиральный змеевик 6, через который пропускалась вода, охлаждающая стенки камеры сгорания, и затем впрыскивалась в ее объем для охлаждения продуктов сгорания.
Образовавшийся в змеевике пар впрыскивался в камеру сгорания. Смесь пара и газа подавалась на радиальную турбину, которая совершала механическую работу. Установка предназначалась для небольшого катера. Камера сгорания была создана и испытана. Непосредственно к камере сгорания примыкала радиальная турбина, состоящая из двух дисков – неподвижного с направляющим аппаратом и подвижного с рабочими лопатками.
Павел Дмитриевич Кузьминский (1840–1900) – русский инженер, изобретатель В 1895 году Кузьминский предложил вариант газовой турбины более простой конструкции. Этот проект был осуществлен в 1897 году на Петербургском патронном заводе.
Много сил к повышению эффективности парогазовых установок приложил немецкий инженер Карл Гольцварт. Первая установка по его проекту была построена фирмой Картинга (Ганновер) в 1906–1908 гг. и имела мощность 50 л.с. (35,8 кВт) при к.п.д. 10%. Энтузиазм Гольцварта поражает: в 1910–1927 годах он строит ГТУ сначала на вертикальном валу, а затем с горизонтальным валом. Широта размаха работ Гольцварта характеризовалась тем, что опыты проводились при сжигании различных видов топлива – газового, жидкого и даже угольной пыли. Немаловажными были также разработки охлаждения камер сгорания и турбины, что позволяло отказаться от впрыска воды для охлаждения продуктов сгорания. Интересовали Гольцварта и вопросы использования тепла, которое получает вода в процессе охлаждения, а также тепла уходящих газов турбины.
В 1920 г. по его чертежам для силовой станции завода Тиссена была построена ПГУ расчетной мощностью 5000 кВт (рис. 3.24). Как видно, у нее воздух подается в камеры сгорания (V = const) компрессором 1, имеющим независимый привод от паровой турбины 2, питающейся паром, генерируемым в котлеутилизаторе 8 теплом уходящих газов газовой турбины. Рассматриваемая установка по сути относится к ПГУ бинарного типа.
Дальнейшее совершенствование установок Гольцварта сопровождалось увеличением степени предварительного сжатия воздуха перед подачей его в камеры сгорания. Так, если в первых установках она составляла лишь 0,13–0,18 МПа, то в последующих была доведена до 0,23–0,3 МПа (с повышением давления в конце сгорания до 1,2–1,4 МПа). Но и в этих агрегатах наибольший достигнутый к 1927 году к.п.д. составлял немногим более 14%, хотя к 1939 году к.п.д. таких установок был доведен до 18–20%.
С 1928 г. К. Гольцварт вместе с профессором В. Шюле разрабатывает проект новой установки (получившей впоследствии название турбины Гольцварта–Шюле), которая, кроме того, что она тоже была бинарной парогазовой установкой (рис. 3.25), должна была работать по смешанному циклу, совмещающему две турбины, одна из которых работала в цикле со сгоранием приV=const, а вторая – при постоянном давлении. Достигалось это тем, что процесс истечения газов из камер сгорания через первую турбину происходил с падением давления лишь до величины около 0,6 МПа, а далее с выровнявшимся, постоянным начальным давлением расширялся во второй турбине. К тому же в этой установке было заметно повышено (до 0,6 МПа) предварительное сжатие воздуха, вследствие чего максимальное давление в камере сгорания достигало 3 МПа.
Рис. 3.23. Схема турбины и камеры сгорания П. Д. Кузьминского: 1 – рабочая лопатка; 2 – направляющая лопатка; 3 – камера сгорания; 4 – воздушный патрубок; 5 – форсунка; 6 – змеевик; 7– подача воды; 8 – подвод воздуха; 9 – подача топлива
Рис. 3.24. Схема парогазовой установки Гольцварта со сгоранием при V = const мощностью 5 МВт (1920 г.): 1 – воздушный компрессор; 2 – паровая турбина; 3 – воздухопровод; 4 – камера сгорания; 5 – выхлопной клапан; 6 – газоподводящий патрубок турбины; 7 – газовая турбина; 8 – котелутилизатор; 9 – выхлопной патрубок установки; 10 – впускной (воздушный) клапан; 11 – топливный насос; 12 – топливный клапан; 13 – конденсатор; 14 – питательный насос; 15 – вал установки
Рис. 3.25. ПГУ Гольцварта–Шюле со смешанным циклом (1928–1933 гг.): 1 – газовая турбина, работающая в режиме V = const; 2 – газовая турбина, работающая в режиме р = const; 3 – камера сгорания; 4 – паровая турбина; 5 – воздушный компрессор; 6 – парогенерирующие поверхности; 7 – топливный насос; 8 – конденсатор
В 1933 году агрегат был установлен на металлургическом заводе в Гамборне (Германия) и при работе на доменном газе показал, по опубликованным данным, к.п.д. до 20%.
Следует заметить, что в какой-то мере этому способствовало и повышение средней температуры газа перед турбиной, обусловленное осуществленным Гольцвартом усовершенствованием охлаждения камеры сгорания и турбины, исключившим применение впрыска воды для охлаждения продуктов сгорания.
Практическая реализация парогазовых установок в стране началась в 60-е годы XX в. Тогда были созданы малые парогазовые установки с высоконапорным парогенератором ВПГ-120 и газовой турбиной мощностью 4 МВт на ТЭЦ Надворнянского нефтеперегонного завода (Украина) и 1-й Ленинградской ГТЭС Ленэнерго, которые до сих пор успешно эксплуатируются. Однако в последующие годы внедрение ПГУ в СССР ограничилось одним энергоблоком ПГУ-170 с высоконапорным парогенератором (ГТ-35+К-160-130+ВПГ-450), установленным в 1973 году на Невинномысской ГРЭС, и двумя энергоблоками ПГУ-250 с низконапорным парогенератором, построенными в 1981 году на Молдавской ГРЭС на базе ГТ-35-770 ХТГЗ, паровых турбин К-210-130-3 ЛМЗ и паровых котлов ТМЕ-215 «Красный котельщик». В 70–80-е годы в ЦКТИ и ЛПИ активно велись теоретические и экспериментальные работы по ПГУ с внутрицикловым паровым охлаждением газотурбинной установки (схема ЦКТИ–ЛПИ), которые предвосхитили современную технологию «H».
Процесс создания новых современных парогазовых установок возобновился в России с 90-х годов ХХ века. В 1996 году создана ПГУ35 с котлом-утилизатором на компрессорной станции «Грязовец». В 1997 году введена парогазовая установка на Южной ТЭЦ (Санкт-Петербург) в процессе реконструкции энергоблока Т-250-240 с котлом ТГМП-344А путем надстройки его газотурбинной установкой типа GT-8C (концерн АВВ). В 2000–2001 годах создана первая ПГУ-450Т на Северо-Западной ТЭЦ (Санкт-Петербург), а 22 ноября 2007 года введена в эксплуатацию первая ПГУ-450Т в Московском регионе на ТЭЦ-27 ОАО «Мосэнерго».
Одним из главных и перспективных направлений реализации парогазовых технологий в России считаются модернизация и техническое перевооружение существующих газотурбинных электростанций с энергоблоками от 150 до 800 МВт, а также ТЭЦ, что позволит повысить технический уровень электростанций до современного при сохранении и использовании существующей инфраструктуры.