ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГТУ В ПАРОГАЗОВЫХ ЦИКЛАХ

INCREASING THE EFFICIENCY OF THE APPLICATION OF GAS TURBINE PLANTS IN COMBINED GAS CYCLES

Sergei Pushkin

Student, Department of Industrial Heat and Power Engineering, Smolensk Branch of the Moscow Power Engineering Institute,

Russia, Smolensk

Georgy Novikov

Scientific supervisor, Candidate of technical sciences, Assoc., Smolensk Branch of the Moscow Power Engineering Institute,

Russia, Smolensk

АННОТАЦИЯ

Цель работы – найти способ повысить эффективность с помощью применения газотурбинной установки в парогазовых циклах. В статье акцентируется внимание на повышении КПД парогазовой установки с помощью применения сверхкритических параметров пара и рассматривается возможность реализации данного метода.

ABSTRACT

The purpose of the work is to find a way to increase efficiency by using a gas turbine plant in combined cycles. The article focuses on increasing the efficiency of a combined cycle plant through the use of supercritical steam parameters and considers the possibility of implementing this method.

Ключевые слова: повышение эффективности, КПД, цикл Карно, газотурбинная установка, парогазовая установка, паросиловая установка.

Keywords: efficiency increase, efficiency, Carnot cycle, gas turbine plant, combined cycle plant, steam power plant.

Газотурбинные и парогазовые установки играют всё возрастающую роль в структуре мировых энергетических мощностей вследствие их высокого КПД, высокой маневренности и умеренной удельной стоимости где-то 350$ за один КВт установленной мощности при выполнении требований по надежности и воздействии на окружающую среду, предъявляемых к оборудованию тепловых электростанций. Схемы как газотурбинных, так и паротурбинных постоянно совершенствуются с целью повышения экономичности выражаемой коэффициентом полезного действия КПД.

Повышение эффективности системы ГТУ-ПТ возможно двумя путями. Первый подход – термодинамический, это приближение к предельно достижимому КПД Карно, осуществляемое путем повышения температуры горячего источника и повышением давления рабочего тела.

Хорошо известная формула Карно для КПД имеет вид:

КПД = 1 - Т_х.и. / Т_г.и.                                                                                            (1)

Т_х.и. – температура холодного источника тепловой машины;

Т_г.и. – температура горячего источника тепловой машины.

Для стационарных  газовых турбин, температура газов перед входным аппаратом достигает 1500 градусов, при степени повышения давления в компрессоре  более 20, что достигнуто путем внедрения новых материалов: монокристаллических лопаток, хромистых сталей для дисков роторов турбин, высокопрочного чугуна с шаровидным графитом для корпусов, оригинальной технологии охлаждения паром элементов камер сгорания, статорных и роторных частей турбины, с дальнейшим использованием пара в паровом цикле. Эти решения позволили приблизить собственный КПД газотурбинной установки к 40%, а при предельно термодинамически достижимом для температуры выхлопа 800 градусов приблизили собственный КПД к 42%. Для паровых турбин температура пара доведена до 640 градусов и соответственно термический КПД составляет 63% при достигнутом внутренним КПД равным 40%.

Второй подход можно назвать схемно-технологическим. Парогазовая система — это каскадная термодинамическая система по срабатываемому температурному перепаду.

 Если рассмотреть совместную Т-S диаграмму газотурбинной и паротурбинной установок, то видно, что чем выше Т_г.и. и ниже Т_х.и., тем выше термодинамический КПД.  В современных стационарных  газотурбинных установках температура газов перед турбиной достигает 1500 градусов, а температура пара перед паровой турбиной 640 градусов, при таких условиях термический предельно достижимый КПД по формуле Карно составит 84%, при этом уверенно достигнутый КПД парогазовых систем  составляет 60%.  Если комбинированный цикл состоит из ГТУ и присоединенного паросилового цикла, то КПД установки определяется:

КПД_пгу = f_гту * КПД_гту + (1- f_гту * КПД_гту) * КПДпсу                                                                (2)

КПД_пгу – коэффициент полезного действия парогазовой установки;

КПД_гту – коэффициент полезного действия газотурбинной установки;

КПД_псу – коэффициент полезного действия паросиловой установки;

f_гту – относительная доля тепла подводимого в ГТУ от общего количества подводимого в ПГУ.

Такие установки называются бинарными, когда весь расход топлива поступает в камеру сгорания ГТУ, а присоединенная паросиловая часть использует только тепло отработавших в ГТУ газов. Величина f_гту характеризует степень бинарности парогазовой системы.

Из ряда циклов, применяемых в энергетике, бинарный цикл имеет наибольшие возможности оптимизации. Учитывая, что в таких ПГУ газотурбинная установка является опорным элементом для успешной оптимизации. Присоединённая паросиловая часть на характеристики всей системы оказывает меньшее  влияния. Экономичность ПГУ зависит от глубины утилизации тепла выхлопных газов и работоспособности пара, вырабатываемого за его счет. В свою очередь результативность работы пара в паровой турбине определяется его давлением и сопряженной с ним температурой - чем выше параметры пара, тем больше работоспособность пара. Однако глубина охлаждения выхлопных газов и получение пара с высоким давлением входят в противоречие.

Параметрами, определяющими удельную паропроизводительность выхлопных газов ГТУ, являются, критический температурный напор (температурный напор на «холодном» конце испарителя), недогрев воды до кипения в экономайзере и температурный напор на «горячем» конце пароперегревателя.

Увеличение критического температурного напора и недогрева воды до кипения в экономайзере уменьшают удельную паропроизводительность, причем большее воздействие оказывает недогрев воды до кипения в экономайзере. Увеличение температурного напора на «горячем» конце пароперегревателя вызывает увеличение удельной паропроизводительности, которое, однако, ослабевает при снижении давления пара. При высоких давлениях пара КПД ПСУ может увеличиваться при увеличении напора.

Главный принцип, который должен соблюдаться при передаче тепла рабочему телу энергетического цикла - это обеспечение максимально возможной выходной температуры рабочего тела при минимальных оправданных экономически температурных напорах. Максимальная утилизация теплоты выхлопных газов с максимальной выработкой пара предельно возможной температуры будет достигаться при противоточной схеме движения теплоносителей в пароперегревателе, экономайзере и системе парогенерирующих контуров, расположенных противотоком по отношению к движению потока газов.

В бинарных парогазовых установках на базе ГТУ последних поколений в настоящее время применяются барабанные паровые котлы-утилизаторы с давлением пара в контуре высокого давления до 14 МПа. Во всех парогенерирующих контурах применяется либо принудительная, либо естественная циркуляция котловой воды. Как правило, в горизонтальных котлах-утилизаторах применяется естественная циркуляция, в вертикальных — принудительная или естественная. В последнем случае, для побуждения циркуляции при пусках котла-утилизатора предусматриваются специальные устройства или пусковые насосы.

Конструктивные особенности испарителей (развитые конвективные поверхности нагрева) и их компоновка в газоходах (опускное движение в вертикальных котлах и подъёмно-опускное в горизонтальных котлах) требуют глубокого изучения их гидродинамики для обеспечения надёжной работы во всех режимах эксплуатации ПГУ.

Как следует из предыдущего раздела, применение сверхкритических параметров пара повышает КПД ПГУ, а для реализации перехода на эту ступень параметров пара альтернативы прямоточной генерации пара в верхнем контуре не существует.

Список литературы:

1. Цанев С.В. и др. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов / Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. – М.: Издательство МЭИ, 2002. – 584 с.
2. Ольховский Г.Г. Основные технические направления и тенденции развития рынка газотурбинной и парогазовой тематики (обзор) / Г.Г. Ольховский, В.В. Гончаров. М., 2007.
3. Подворный, Г.К. Применение газотурбинных и паровых технологий при реконструкции ТЭЦ и котельных / Подворный Г.К// Электрические станции. - 2012. - № 4. - С. 41-45.