Слайд.
Вся история теплоэнергетики отмечена своеобразным соревнованием между паровыми и газовыми циклами. С самого начала развития теплосиловых установок, использовавших органическое горючее, существовало естественное стремление применить продукты сгорания в качестве рабочего тела.
Наряду с противопоставлением газо- и парообразных агентов в качестве рабочих тел можно выделить тенденцию максимально использовать положительные качества обоих рабочих тел при их совместном использовании.
Слайд
Вообще идея создания парогазовых установок, использующих в качестве рабочих тел продукты сгорания топлива и водяной пар, впервые была высказана французским ученым Сади Карно ещё в 1824 году в его работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Карно предложил схему поршневой парогазовой установки и обосновал основное условие создания эффективных парогазовых установок – использование продуктов сгорания топлива в качестве рабочего тела в области высоких температур с одновременной утилизацией сбросной теплоты газов для получения рабочего пара. По мере развития паровых и газовых турбин оказалось возможным практическое осуществление этой идеи.
Слайд
По принципу взаимодействия рабочих тел все комбинированные установки разделяются на две группы: установки с раздельными контурами рабочих тел (бинарные) и установки со смешением рабочих тел, т.е. контактные (монарные). Первые из них образуют группу парогазовых установок (ПГУ), а вторые – группу газопаровых установок (ГПУ). Большинство работающих и строящихся установок относятся к первой группе.
Сначала рассмотрим первую группу:
Слайд
Парогазовые установки (ПГУ) – комбинированные парогазовые установки с раздельными контурами рабочих тел, в которых отсутствует контакт между продуктами сгорания и парожидкостным рабочим телом. Взаимодействие рабочих тел осуществляется в форме теплообмена в аппаратах поверхностного типа.
Также ПГУ – это энергетическая установка, в которой теплота уходящих газов ГТУ используется для выработки электроэнергии в паротурбинном цикле.
Таким образом, устраняется главный недостаток ГТУ – большие потери энергии с уходящими газами.
Слайд
Принцип действия
Парогазовая установка содержит два отдельных двигателя: паросиловой и газотурбинный. В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. Топливом может служить как природный газ, так и продукты нефтяной промышленности (дизельное топливо). На одном валу с турбиной находится генератор, который за счет вращения ротора вырабатывает электрический ток. Проходя через газовую турбину, продукты сгорания отдают лишь часть своей энергии и на выходе из неё, когда их давление уже близко к наружному и работа не может быть ими совершена, все ещё имеют высокую температуру. С выхода газовой турбины продукты сгорания попадают в паросиловую установку, в котел-утилизатор, где нагревают воду и образующийся водяной пар. Температура продуктов сгорания достаточна для того, чтобы довести пар до состояния, необходимого для использования в паровой турбине (температура дымовых газов около 500 °C позволяет получать перегретый пар при давлении около 100 атмосфер). Паровая турбина приводит в действие второй электрогенератор (схема multi-shaft).
Широко распространены парогазовые установки, у которых паровая и газовая турбины находятся на одном валу, в этом случае используется только один, чаще всего двухприводный генератор (схема single-shaft). Такая установка может работать как в комбинированном, так и в простом газовом цикле с остановленной паровой турбиной. Также часто пар с двух блоков ГТУ – котёл-утилизатор направляется в одну общую паросиловую установку.
Слайд
Парогазовые установки выполняются либо с котлом-утилизатором, в котором пар генерируется только или в основном за счет отходящей теплоты газовой турбины, либо с парогенератором (так называемая сбросная схема), в котором пар генерируется также и за счет теплоты топлива.
В установках с парогенератором выхлопные газы турбины сбрасываются в топку котла, в котором производится еще и дожиг топлива, поэтому основная доля мощности (до 70–80% общей мощности) генерируется в паровом контуре, а остальная доля – в газовом. Парогенератор в ПГУ работает с минимальным коэффициентом избытка воздуха 1,05–1,10, поскольку в процессе сжигания топлива участвует и кислород, поступающий в топку с выхлопными газами ГТУ. Относительный расход пара в таких установках значительный, а его величина по отношению к расходу воздуха достигает значений 0,7–0,8.
В установках с котлом-утилизатором большая доля мощности вырабатывается в газовом контуре. Расход топлива в этих установках в основном приходится на газовый контур, в котором коэффициент избытка воздуха обычно 1,5–2,5. Такие ПГУ характеризуется низким относительным расходом пара, отнесенным к расходу воздуха через компрессор, его величина чаще всего не превышает 0,2–0,3.
Слайд
Комбинированные установки с парогенератором могут быть выполнены по следующим схемам:
· парогазовые установки с использованием теплоты выхлопных газов газовых турбин для подогрева питательной воды, что приводит к вытеснению регенерации внутри паровой части цикла (так называемые ПГУ с вытеснением регенерации);
· парогазовые установки с низконапорным парогенератором (НПГ), в которых топливо подводится как в камере сгорания перед ГТУ, так и в низконапорном парогенераторе (НПГ), а от газовой турбины газы отводятся в парогенератор, где используются для окисления подаваемого в топку топлива;
· парогазовые установки с высоконапорным парогенератором (ВПГ), в котором генерация пара осуществляется в парогенераторе, совмещенном с камерой сгорания газотурбинной установки. Требуемая температура газа перед турбиной в этом случае обеспечивается расходом генерируемого пара, а коэффициент избытка воздуха за высоконапорным парогенератором принимается минимальным.
Слайд
Парогазовые установки с вытеснением регенерации
Использование теплоты выхлопных газов газовых турбин для подогрева питательной воды приводит к вытеснению регенерации внутри паровой части цикла. Если при том же расходе топлива парогазовой установкой отключить регенеративный подогрев питательной воды паром отбора и заменить его подогревом уходящими газами газовой турбины, то общая выработка энергии в такой установке возрастает на величину мощности турбины, затрачиваемой на регенеративные отборы. Может применяться и комбинированная регенерация – паровая и газовая регенерации одновременно.
Слайд
Парогазовые установки с низконапорным парогенератором (НПГ).
В парогазовых установках с НПГ топливо сжигается как в камере сгорания (КС) ГТУ, так и в НПГ. От газовой турбины газы отводятся в парогенератор, где используются для окисления подаваемого в топку топлива. Так как за парогенератором предусмотрен газоводяной подогреватель (ГВП), то потери теплоты с отходящими газами относительно невелики.
Слайд
Парогазовые установки с НПГ обладают рядом преимуществ:
· у таких ПГУ высокая термическая эффективность, поэтому они рассматриваются в основном как базовые;
· для них характерна высокая надежность, так как может быть обеспечена изолированная работа газового и парового контуров;
· переход с комбинированной работы на индивидуальную организуется за короткое время и не требует прекращения работы;
· возможность автономной работы позволяет существенно сократить время создания электростанции. При строительстве новой ПГУ газовый контур может быть включен в эксплуатацию значительно раньше завершения строительства всей ПГУ;
· отсутствует необходимость в значительных переделках в ГТУ, используемых для газового контура, что позволяет применять уже отработанные выпускаемые промышленностью ГТУ;
· возможно использование двух видов топлива: высококачественного жидкого или газообразного в газовом контуре и низкокачественного жидкого или твердого топлива в паровом контуре. Доля низкокачественного топлива значительна и достигает 70–75 %.
Слайд
Парогазовые установки с высоконапорным парогенератором (ВПГ).
В отличие от парогазовых установок с НПГ генерация пара в ПГУ с ВПГ осуществляется в парогенераторе, совмещенном с камерой сгорания ГТУ, то есть можно сказать, что она отсутствует и ее заменяет высоконапорный парогенератор, представляющий собой паровой котел, способный работать при давлении, соответствующем давлению воздуха за компрессором ГТУ. Требуемая температура газа перед турбиной в этом случае, как уже отмечалось, обеспечивается расходом генерируемого пара, а коэффициент избытка воздуха за ВПГ принимается минимальным. Для утилизации теплоты уходящих из турбины газов устанавливается газоводяной подогреватель питательной воды, который в ПГУ частично вытесняет паровую регенерацию. Работает установка следующим образом. Воздух, сжатый в компрессоре (К), подается в камеру сгорания ВПГ, где сжигается газовое или жидкое топливо. Часть теплоты продуктов сгорания топлива расходуется в парогенераторе на парообразование и перегрев пара так, что температура газов на входе в газовую турбину (ГТ) снижается до заданной величины. Теплота выхлопных газов используется для подогрева питательной воды паровой части установки в газоводяном подогревателе (ГВП). Электрическая энергия вырабатывается в двух генераторах, приводимых в движение паровой (ПТ) и газовой (ГТ) турбинами, причем часть мощности газовой турбины расходуется на привод компрессора. Особенностью этой схемы является повышенное давление продуктов сгорания в парогенераторе, что приводит к более интенсивному теплообмену, чем в обычных паровых котлах, и позволяет значительно уменьшить металлоемкость поверхностей нагрева. За счет высокого давления габариты ВПГ существенно меньше, чем у атмосферного парового котла. Еще одна особенность—топочные газы охлаждаются в ВПГ только до температуры, при которой их можно подать на вход газовой турбины. Поэтому, чем выше допустимая температура перед ГТУ, тем выше температура газов за ВПГ, и тем меньше пара может генерировать ВПГ. Меньше пара—меньше работа паровой турбины. В этом и причина вырождения циклов с ВПГ.
Слайд
Преимущества ПГУ с ВПГ:
- более высокие экономические показатели по сравнению с ПГУ сбросного типа;
- в них достижимы более высокие к.п.д. и удельная мощность газового контура;
- они обеспечивают существенное понижение удельных капитальных затрат, обусловленное сокращением размеров парогенератора.
Слайд
Парогазовые установки с котлом-утилизатором
Другим видом установок с раздельными потоками газа и пара являются парогазовые установки с котлом-утилизатором. Генерация пара в установках с котлом-утилизатором (КУ) обеспечивается за счет теплоты уходящих газов турбины в котлах-утилизаторах. Такие установки отличаются относительно низкими расходами пара, так как количество теплоты для генерации пара ограничено мощностью применяемой ГТУ. В турбинах с низкими начальными параметрами рабочего тела температура уходящих газов также сравнительно невысока (400–430°С), что приводит к низким параметрам генерируемого пара. Все это обусловливает сравнительно невысокую долю парового контура в полезной мощности ПГУ с котлом-утилизатором (30–40%) и к.п.д. ПГУ не более 45–50%. С целью повышения этой доли и некоторого увеличения к.п.д. ПГУ применяют котлы-утилизаторы с дожиганием топлива в потоке уходящих газов турбины.
При использовании в ПГУ с котлами-утилизаторами ГТУ с высокими начальными параметрами газа и, соответственно, высокой температурой уходящих газов (550–630°С) возрастает доля выработанной в паровом контуре энергии и существенно увеличивается максимальный к.п.д. комбинированной установки (до 58 и даже 60%).
Слайд
Таким образом, при современных параметрах пара ПГУ с котлом-утилизатором обладает следующими преимуществами:
· вследствие высокой термической эффективности на номинальном режиме уже при температуре газа 870–920°С к.п.д. ПГУ находится на уровне современных ПТУ, работающих при сверхкритических параметрах пара. По мере роста температуры газов после газовой турбины к.п.д. ПГУ с КУ будет повышаться вплоть до 58–60%;
· некоторая нейтрализация снижения эффективности ПГУ при уменьшении нагрузки может быть достигнута за счет дожигания топлива перед КУ. Особенно благоприятным изменением к.п.д. обладают установки, использующие в газовом контуре несколько ГТУ, работающих на одну паровую турбину. Уменьшение мощности в этом случае достигается последовательным отключением ГТУ;
· высокая маневренность установки обеспечивается большой долей мощности газового контура (60–70%), а также температурными параметрами пара и упрощенной тепловой схемой парового контура. Пуск установки на полную нагрузку обычно не превышает 60 мин;
· низкая удельная стоимость и высокая надежность работы; капитальные вложения в создание ПГУ на 20–25 % ниже, чем при создании маневренных ГТУ;
· широкая автоматизация управления установкой, которая включает пуск, нагружение и остановку;
· блочная поставка оборудования ПГУ в виде блоков ГТУ, паровой турбины, котла-утилизатора, конденсатора.
Принципиальным отличием схемы ПГУ с пассивным котлом-утилизатором (т.е. с КУ без дожига топлива) от других рассмотренных выше схем является отсутствие подвода теплоты топлива непосредственно к воде и водяному пару. Теплота подводится к котлу-утилизатору только за счет теплоты отработанных газов газовой турбины. Повышение начальной температуры газов перед газовой турбиной сверх 1000–1200°С позволяет получать в установке с котлом-утилизатором высокие параметры пара и обеспечивать максимально возможный к.п.д.
Слайд