В статье дан анализ схем парогазовых установок, показаны типы, преимущества и особенности их применения в схеме теплоэлектростанции. Описаны технологические требования для эффективной эксплуатации парогазовых установок. Рассмотрены факторы, влияющие на повышение коэффициент полезного действия. Определены технические задачи, возникающие при проектировании и эксплуатации парогазовых установок. Выполнен анализ вопросов использования котла-утилизатора в парогазовой установке. Указаны объемы внедрения передовых зарубежных компаний по производству газовых турбин и дальнейшие перспективы их развития.
Ключевые слова:котел, паротурбина, газотурбина, топливо, испаритель, цикл, температура, давления, парогенератор, подогреватель, уходящих газов, вода, воздух, коэффициент полезного действия.
В любой стране энергетика является базовой отраслью экономики, стратегически важной для государства. От её состояния и развития зависят соответствующие темпы роста других отраслей хозяйства, стабильность их работы. В промышленности электрическая энергия из тепловой получается путем промежуточного преобразования её в механическую работу. Современная техника пока не позволяет создать более или менее мощные установки для получения электричества непосредственно из тепла. Все установки такого типа пока могут работать или только кратковременно, или при крайне малых мощностях, или при низких коэффициент полезного действия, или зависят от временных факторов. Поэтому на тепловых электростанциях нельзя обойтись без тепловых двигателей.
В настоящее время для эффективного функционирования любой электростанции одним из главных инструментов является организация правильной работы с топливом. А именно работа с поставщиками, учет качества и количества топлива, претензионная работа. К сожалению, не все предприятия уделяют достаточное внимание этому процессу, что негативно отражается на их финансово-экономическом и хозяйственном положении.
Перспективное направление развития энергетики связано с газотурбинными и парогазовыми энергетическими установками тепловых электростанций. Парогазовые установки на природном газе-единственные энергетические установки, которые в конденсационном режиме работы отпускают электроэнергию с электрическим коэффициент полезного действия более 58 % [1].
Парогазовые установки являются разновидностью комбинированных теплоэнергетических установок. Термодинамические циклы комбинированных установок состоят из двух и более простых циклов, совершаемых, как правило, разными рабочими телами в различных диапазонах изменение температуры. Циклы, осуществляемые в области более высоких температур, принято называть верхними, а в области более низких температур-нижними.
В качестве верхнего в парогазовом цикле используется цикл газотурбинной установки, рабочим телом которого являются продукты сгорания топлива, или газы. В качестве нижнего используется цикл паротурбинной установки, рабочим телом которого служит водяной пар. Отсюда названия цикла и установок-парогазовые.
Парогазовые установки — сравнительно новый тип генерирующих станций, работающих на газе или на жидком топливе. Принцип работы самой экономичной и распространенной классической схемы таков. Устройство состоит из двух блоков: газотурбинной и паросиловой установок. В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. Проходя через газовую турбину, продукты сгорания отдают ей лишь часть своей энергии и на выходе из газотурбины все ещё имеют высокую температуру. С выхода из газотурбины продукты сгорания попадают в паросиловую установку, в котел-утилизатор, где нагревают воду и образующийся водяной пар.
В первом газотурбинном цикле коэффициент полезного действия редко превышает 38 %. Отработавшие в газотурбинной установке, но все еще сохраняющие высокую температуру, продукты горения поступают в так называемый котел-утилизатор. Там они нагревают пар до температуры 500°С и давления 80 атм., достаточных для работы паровой турбины, к которой подсоединен еще один генератор. Во втором — паросиловом цикле используется еще около 20 % энергии сгоревшего топлива. В сумме коэффициент полезного действия всей установки оказывается равным примерно 58 % [1]. Паровые энергоблоки хорошо освоены. Они надежны и долговечны. Их единичная мощность достигает 800–1200 МВт, а коэффициент полезного действия, представляющий собой отношение произведенной электроэнергии к теплотворности использованного топлива, составляет до 40–41 %, а на наиболее совершенных электростанциях за рубежом — 45-48 %.
Повышение коэффициент полезного действия при объединении паротурбинной и газотурбинной установок получается за счет двух факторов:
- Осуществления надстройки газового цикла над паровым;
- Уменьшения суммарного расхода уходящих газов.
В большинстве схем используются одновременно оба фактора, дающие повышение коэффициент полезного действия. Однако есть схемы, в которых используется только один из них.
Известны три основных типа парогазовых установок:
- С газотурбинной установкой, работающей на парогазовой смеси, которая образуется при впрыске воды (или пара) в газовый тракт перед турбиной;
- С высоконапорным парогенератором;
- С обычным парогенератором, работающим на горячих газах, сбрасываемых в него из газотурбинной установки.
Основными достоинствами парогазовые установки с обычным парогенератором являются:
- Возможность работы парогенератора газотурбинной установки на любом топливе (в парогенераторе сжигается 70–85 % всего топлива);
- Возможность использования обычных парогенераторов, что облегчает создание парогазовые установки на базе серийного оборудования и позволяет проводить газовую надстройку действующих электростанций с сохранением всего установленного основного оборудования [2].
В энергетике реализован ряд тепловых схем парогазовые установки, имеющих свои особенности и различия в технологическом процессе. Многообразие парогазовых установок столь велико, что нет возможности рассмотреть их в полном объеме. Поэтому ниже рассмотрим основные типы парогазовые установки, интересные для нас либо с принципиальной, либо с практической точки зрения. Одновременно попытаемся выполнить их классификацию, которая, как и всякая классификация, будет условной.
По назначению парогазовые установки подразделяют на конденсационные и теплофикационные. Первые из них вырабатывают только электроэнергию, вторые-служат и для нагрева сетевой воды в подогревателях, подключаемых к паровой турбине.
По количеству рабочих тел, используемых в парогазовые установки, их делят на бинарные и монарные. В бинарных установках рабочие тела газотурбинного цикла (воздух и продукты горения топлива) и паротурбинной установки (вода и водяной пар) разделены. В монарных установках рабочим телом турбины является смесь продуктов сгорания и водяного пара.
Парогазовыми называются энергетические установки, в которых теплота уходящих газов газотурбинные установки прямо или косвенно используется для выработки электроэнергии в паротурбинном цикле.
Рис. 1. Принципиальная схема простейшая парогазовые установки утилизационного типа
На рис. 1 показана принципиальная схема простейшей парогазовой установки, так называемого утилизационного типа. Уходящие газы газотурбинные установки поступают в котел- утилизатор-теплообменник противоточного типа, в котором за счет тепла горячих газов генерируется пар высоких параметров, направляемый в паровую турбину. Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор, конденсируется и с помощью питательного насоса, повышающего давление питательной воды, направляется снова в котел-утилизатор [3].
Часто применяются парогазовые установки со сбросом выходных газов газотурбинной установки в энергетический котел. В них тепло уходящих газов газотурбинной установки, содержащих достаточное количество кислорода, направляется в энергетический котел, замещая в нем воздух, подаваемый дутьевыми вентиляторами котла из атмосферы. При этом отпадает необходимость в воздухоподогревателе котла, так как уходящие газы газотурбинная установки имеют высокую температуру. Главным преимуществом сбросной схемы является возможность использования в паротурбинном цикле недорогих энергетических твердых топлив. В сбросной парогазовые установки топливо направляется не только в камеру сгорания газотурбинная установки, но и в энергетический котел (рис. 2). В ней реализуется два термодинамических цикла. Теплота, поступившая в камеру сгорания газотурбинная установки вместе с топливом, преобразуется в электроэнергию так же, как и в утилизационной парогазовые установки, то есть с коэффициент полезного действия на уровне 50 %, а теплота, поступившая в энергетический котел-как в обычном паротурбинном цикле, то есть с коэффициент полезного действия на уровне 40 % [3].
Рис. 2. Схема сбросной парогазовые установки
Парогазовые установки с «вытеснением» регенерации. Идея такой парогазовые установки состоит в том, что регенеративные подогреватели отключаются от паровой турбины, а для подогрева питательной воды энергетического котла используется тепло уходящих газов газотурбинные установки (рис. 3). Сэкономленный пар отборов служит для выработки дополнительной мощности в паровой турбине. При этом теплота конденсации сэкономленного пара теряется в конденсаторе, а не возвращается питательной воде. Поэтому выигрыш в экономичности возникает тогда, когда эта потеря будет меньше, чем экономия топлива за счет уменьшения потери теплоты с уходящими газами газотурбинные установки. Парогазовые установки с вытеснением регенерации дает наименьшую экономию топлива (около 4 %), однако она позволяет надстроить паротурбинный энергоблок с минимальными переделками [3].
Рис. 3. Принципиальная схема парогазовые установки с вытеснением регенерации
За рубежом ведется массовое строительство парогазовых установок. Его тенденции можно увидеть из рис. 5, на котором представлен прогноз мировых заказов, составленный фирмой Siemens на ближайшую пятилетку. Общий ежегодный заказ на теплоэнергетические мощности возрастет с 64 до 70 ГВт. В 1993–1998 гг. доля паровых турбин мощностью более 20 МВт составляла 60 %, а газотурбинные установки мощностью более 50 МВт-40 %. В 1999–2004 гг. заказ на газотурбинные установки возрастет до 48 %, причем доля парогазовые установки увеличится с 40 до 52 %. Доля паровых турбин также возрастает, однако часть их, естественно, будет использоваться в парогазовые установки. Вместе с тем доля газотурбинные установки, работающих автономно в качестве пиковых агрегатов, остается неизменной и будет составлять 12 %. Все это говорит о том, что строительство парогазовые установки является преобладающей тенденцией в современной теплоэнергетике.
Исследования и мировой опыт показывают, что развитие и широкое использование парогазовых установок различных типов являются основным направлением повышения эффективности тепловых электростанций, дающих до последнего времени до 70 % всей выработки электроэнергии. Лучшие показатели экономичности среди всех типов парогазовые установки имеют установки с котлом-утилизатором. При работе на природном газом номинальной нагрузкой они обеспечивают производство электроэнергии с коэффициент полезного действия нетто до 60 % [4].
Рис. 4. Прогноз фирмы Siemens по ежегодным заказам на оборудование для ТЭС
В настоящее время можно говорить в основном о большей эффективности парогазовой тепловые электрические станции по сравнению с паротурбинной: в расчете на единицу тепловой нагрузки парогазовые установки-тепловые электрические станции вырабатывает больше электроэнергии. В энергетике реализован ряд тепловых схем парогазовых установок, имеющих свои особенности и различия в технологическом процессе. Происходит постоянная оптимизация как самих схем, так и улучшение технических характеристик её узлов и элементов. Основными показателями, характеризующими качество работы энергетической установки, являются производительность и надёжность.
Литература:
- Цанев С. В., Буров В. Д., Ремезов А. Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов. Издательство МЭИ, 2002–584 с.
- Ведрученко В. Р., Крайнов В. В., Казимиров А. В. Уточненная методика расчета сгорания в топке парового котла по схеме комбинированной парогазовой установки со сбросом газов в топку // Промышленная энергетика. – 2005.–№ 6. — С. 31–35.
- http://www.energocon.com/pages/id1052.html
- http://www.studfiles.ru/preview/383555/
