 |
Тепловые схемы и циклы парогазовых установок
|
|
|
|
ГЛАВА 6. ПРИМЕНЕНИЕ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК В АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
Тепловые схемы и циклы парогазовых установок
В последние годы в энергетике широкое применение находят комбинированные парогазовые установки (ПГУ). В этих установках используют два рабочих тела: продукты сгорания топлива в газотурбинных двигателях и водяной пар в паровых турбинах.
Если оценивать эффективность цикла ПГУ коэффициентом заполнения, представляющим собой отношение площади данного цикла в Т-S диаграмме к площади цикла Карно, то можно отметить, что для ПГУ этот показатель будет составлять 0,6-0,8. Это достигается тем, что в таких установках реализован более эффективный подвод теплоты к рабочему телу в цикле газотурбинной установки, осуществляемый при более высоких температурах, а отвод теплоты происходит в цикле паротурбинной установки при низких температурах.
Существуют два типа парогазовых установок. В первом типе установок газообразные продукты сгорания смешиваются с водяным паром и затем поступают в турбину. Во втором типе каждое рабочее тело направляется соответственно в газовую и паровую части установки.
По составу оборудования возможны различные тепловые схемы парогазовых установок второго типа. В работе [25] ПГУ такого типа подразделяются на следующие группы:
1) парогазовые установки с котлами полного горения (ПГУПГ );
2) парогазовые установки с высоконапорным парогенератором (ПГУ ВПГ);
3) парогазовые установки с котлами утилизаторами (ПГУКУ);
4) парогазовые установки с подогревателями питательной воды (ПГУПВ).
На рис.6.1 представлена тепловая схема ПГУПГ. Как видно из схемы, отработавший в турбине газ направляется в горелки парогенератора, к которым подводится и топливо. При температуре уходящих газов 450 – 600 оС объемное содержание кислорода в них составляет 14–16 %, что позволяет использовать такие газы в качестве окислителя топлива, подаваемого в парогенератор. В состав парогенератора входят газоводяные подогреватели низкого и высокого давления по воде, в которых продукты сгорания нагревают питательную воду и выбрасываются в атмосферу.
|
|
|
При отключении газовой турбины паросиловая установка работает в штатном режиме, при этом воздух к горелкам подается дутьевым вентилятором.
В регенеративную систему подогрева питательной воды включены подогреватель низкого давления (ПНД) и подогреватель высокого давления (ПВД). Деаэрация питательной воды осуществляется в деаэраторе атмосферного типа.
Рис. 6.1. Принципиальная тепловая схема ПГУПГ:
1 – газоводяные подогреватели; 2 – дутьевой вентилятор; 3 – компрессор; 4 – газовая турбина; 5 – подвод топлива; 6 – котлоагрегат; 7 – паровая турбина; 8 – конденсатор; 9 – деаэратор; 10 – конденсатный насос; 11 – питательный насос; 12 – подогреватель низкого давления (ПНД); 13 – подогреватель высокого давления (ПВД)
Газоводяные подогреватели разгружают регенеративные подогреватели при сохранении температуры питательной воды на входе в парогенератор. Если при этом проточная часть позволяет увеличить пропуск пара в часть низкого давления турбины, то происходит дополнительная выработка электроэнергии.
В случае останова паровой турбины газотурбинная установка работает в автономном режиме, при этом отработавший газ выбрасывается в атмосферу через байпасный газоход дымовой трубы.
На рис. 6.2 представлен идеальный цикл парогазовой установки с котлом полного горения в Т–S диаграмме. Цифрами 1, 2, 3, 4 обозначен идеальный цикл газотурбинной установки. Процесс 2 – 3 характеризует подвод теплоты в цикле ГТУ за счет сжигания топлива в камере сгорания, а процесс 4 – 5 характеризует подвод теплоты за счет сжигания топлива в парогенераторе. Цикл идеальной паротурбинной установки обозначен буквами абсдеа.
|
|
|
Рассматриваемые установки ПГУПГ могут быть созданы на базе серийно выпускаемого энергетического оборудования с некоторой его модернизацией.
Рис. 6.2. Идеальный цикл ПГУПГ
Парогазовые установки с высоконапорными парогенераторами (ПГУВПГ)
На рис.6.3 представлена принципиальная тепловая схема парогазовой установки с высоконапорными парогенераторами (ПГУВПГ). Высоконапорный парогенератор установлен за компрессором газовой турбины и работает при значительных избыточных давлениях 1,0 – 2,0 МПа. Такие условия работы требуют, чтобы парогенератор был высокопрочного и газоплотного исполнения. Такие парогенераторы работают с повышенным тепловым напряжением топочного объема, превышающим в 10 раз напряжения обычного котельного агрегата, и с тепловым напряжением конвективных поверхностей, превышающим обычные в 12 - 15 раз, что приводит к сокращению поверхностей нагрева.
Как видно из тепловой схемы, через газовую турбину проходят продукты сгорания всего топлива парогазовой установки, что обеспечивает повышенную мощность ГТУ. После газовой турбины продукты сгорания топлива направляются в газоводяные теплообменники, в которых температура газов снижается до требуемых значений.
Установки, работающие по такой схеме из-за увеличенного расхода продуктов сгорания, требуют создания специальных газотурбинных агрегатов либо модернизации существующих. Входящая в состав ПГУВПГ паротурбинная установка не отличается от рассмотренной ранее, входящей в состав ПГУПГ.
Рис. 6.3. Принципиальная тепловая схема ПГУВПГ:
1 – компрессор ГТА; 2 – газовая турбина; 3 – высоконапорный парогенератор (ВПГ); 4 – паровая турбина; 5 – подогреватель низкого давления (ПНД); 6 – деаэратор; 7 – подогреватель высокого давления (ПВД); 8,9 - газоводяные теплообменники
На рис. 6.4 показан идеальный цикл ПГУВПГ в Т–S диаграмме. Как видно из диаграммы, подвод теплоты к рабочему телу в ПГУВПГ осуществляется по изобаре 2–3–6,соответствующей давлению воздуха за компрессором. Процесс 4–5 характеризует охлаждение отработавшего газа в газоводяных подогревателях. Отрезок 5 – 1 соответствует потерям тепла в окружающую среду.
|
|
|
Рис. 6.4. Идеальный цикл ПГУВПГ
Парогазовые установки с котлами-утилизаторами (ПГУКУ)
Как указывается в работе [25], появлению парогазовых установок с котлами утилизаторами предшествовало освоение высокотемпературных газовых турбин и котельных труб с устройствами для интенсификации теплообмена. В настоящее время этот тип ПГУ получил наибольшее распространение.
Котлы-утилизаторы не рассчитываются на автономную работу паротурбинной части при останове газотурбинного агрегата, чем отличаются от котлов парогазовых установок с котлами полного горения.
Котел-утилизатор (КУ) представляет собой газоводопаровой теплообменник, в котором газовая сторона практически определяет интенсивность теплообменных процессов.
Количество котлов-утилизаторов в составе ПГУКУ равно количеству газотурбинных агрегатов. Применяют котлы с контурами одного, двух и трех давлений. В котлах двухконтурного исполнения генерируется пар высокого и низкого давления.
Принципиальная тепловая схема ПГУКУ двухконтурного типа представлена на рис. 6.5.
Рис. 6.5. Принципиальная тепловая схема ПГУКУ:
1 – компрессор ГТА; 2 – газовая турбина; 3 – подвод топлива; 4 – котел-утилизатор; 5 – паровая турбина; 6 – контур высокого давления; 7 – контур низкого давления; 8 – деаэратор
Пар высокого давления направляется в головную часть паровой турбины, а пар низкого давления направляется в систему регенеративного подогрева питательной воды низкого давления.
При пусковых режимах газ, отработавший в газотурбинном агрегате, может отводиться в дымовую трубу котла утилизатора по байпасному газоходу.
Доля мощности газотурбинных агрегатов в суммарной мощности современных парогазовых установок с котлами-утилизаторами достигает 70 %.
Параметры пара, получаемого в котлах-утилизаторах первых ПГУ этого типа, росли от 3 МПа и 400 °С - для первых котлов до 11 МПа и 540 °С - у котлов-утилизаторов современных ПГУКУ.
|
|
|
На рис. 6.6 в Т–Sдиаграммепоказан идеальный цикл ПГУКУ.
Тепло цикла ГТУ в ПГУ такого типа является единственным источником тепла для цикла паротурбинной установки.
Процесс отвода теплоты из цикла газотурбинного агрегата изображается отрезком 4 – 5. Отрезок 5 – 1 соответствует потерям тепла в окружающую среду.
Рис.6.6. Идеальный цикл ПГУКУ
Парогазовые установки с подогревателями питательной воды (ПГУВП)
При создании автономных источников энергоснабжения малой мощности заслуживают внимания парогазовые установки с подогревом питательной воды (ПГУВП) отработавшим газом, отводимым из газовой турбины. Как указано в работе [25], такие установки были созданы одними из первых в ряду парогазовых установок всех типов, но широкого распространения не получили. В настоящее время с появлением стационарных газотурбинных двигателей различных мощностей и компактных газоводяных теплообменников к таким установкам вновь проявляется интерес как наиболее простым и достаточно эффективным ПГУ.
На рис.6.7 изображена принципиальная тепловая схема ПГУПВ. Как видно из рисунка, газоводяные подогреватели вытесняют паровой регенеративный подогрев воды, осуществляемый в ПНД и ПВД, тем самым увеличивая пропуск пара в конденсатор и следовательно выработку электрической энергии в паротурбинной части ПГУ.
Рис. 6.7. Принципиальная тепловая схема ПГУПВ:
1 – компрессор ГТА; 2 – газовая турбина; 3 – подвод топлива; 4 – паровой котел; 5 – паровая турбина; 6 – подогреватель низкого давления (ПНД); 7 – деаэратор; 8 – подогреватель высокого давления (ПВД); 9,10 - газоводяные теплообменники (ГВТ)
Газоводяные теплообменники (ГВТ) расположены на выхлопе газовой турбины, а не за основным экономайзером котла, как в парогазовых установках с котлами полного горения. Поэтому температура газов перед ГВТ существенно выше, а степень вытеснения регенерации паровой турбины значительно больше, чем в ПГУПГ.
Составные части такой ПГУ представляют собой самостоятельные теплоэнергетические установки и могут работать автономно. Условия работы паровых котлов в составе парогазовых установок с подогревателями питательной воды идентичны условиям работы традиционных котлов.
На рис 6.8 в Т–S диаграмме показан идеальный цикл ПГУПВ.
Как видно из рисунка, на участке изобары а–m подводится теплота, отходящая от газотурбинного цикла, а на участке m-в-c–d подводится теплота, полученная при сгорании топлива в котле. В связи с этим цикл ПГУПВ также является частично бинарным комбинированным циклом.
|
|
|
Рис. 6.8. Идеальный цикл ПГУПВ
|
|
|
