Парогазовые установки (ПГУ) с впрыском пара

Парогазовые установки с впрыском пара.

В данный момент во всех промышленно развитых странах на тепловых электростанциях находят широкое применение комбинированные парогазовые установки (ПГУ) работающие по бинарному циклу. Для увеличения КПД парогазовых установок всё чаще применяют впрыск “энергетического” пара.

В работах [1-6] показана экономическая целесообразность ввода установок с впрыском пара. В ПГУ контактного типа перегретый пар, полученный в котле-утилизаторе (КУ) за счёт тепла уходящих газов, может подаваться либо в предвключённую паровую турбину (ПТ), что увеличивает КПД установки, либо непосредственно в камеру сгорания (КС) двигателя. Если пар поступает в ПТ, то после совершения в ней работы он делится на два потока: первый (большая часть пара) направляется в КУ для вторичного перегрева, а второй – для охлаждения турбин двигателя. Пар, полученный после вторичного перегрева, поступает в две зоны КС двигателя: в зону горения (“экологический” впрыск пара) и непосредственно перед турбиной (“энергетический” впрыск пара). Подача “экологического” пара осуществляется для снижения выброса загрязняющих веществ и в первую очередь окислов азота (NOx).

Важно отметить, что в ПГУ средней и небольшой производительности можно использовать газогенераторы серийных авиационных двигателей, работающие на пониженных режимах, что в сочетании с охлаждением горячей части двигателя слабо перегретым паром позволяет реализовать ресурс ПГУ, сравнимый с ресурсом современных промышленных паро- и газотурбинных установок.

Рассмотренная схема ПГУ при параметрах рабочего процесса: Т*г =1623К и p*к=10 обеспечивает достижение КПД более 50% и, что не мало важно, получение высокой удельной мощности (почти 1МВт на 1 кг/с воздуха на входе в компрессор).

Увеличение параметров рабочего процесса (температуры газа перед турбиной и степени повышения давления в цикле) в сочетании с использованием перспективных жаропрочных материалов для изготовления элементов горячей части двигателя позволит получить КПД установки более 55%. Существенное увеличение КПД ПГУ (при прочих равных условиях)  по сравнению с паровыми, так и с газотурбинными установками (КПД последних, как правило, не превышает 35%) обусловлено следующими факторами:

• утилизация тепла в котле-утилизаторе;
• увеличением расхода рабочего тела через силовую турбину;
• повышенной работоспособностью обычных продуктов сгорания углеводородного топлива (в результате более высокого значения газовой постоянной парогазовой смеси);
• сжатием паровой компоненты рабочего тела в жидкой фазе.

Рассмотрим схему установки представленную ниже. Атмосферный воздух поступает в компрессор, где он сжимается до заданного полного давления, а затем направляется в камеру сгорания двигателя, куда подаётся и топливо. В камере сгорания ПГУ продукты сгорания топлива смешиваются с «экологическим» и «энергетическим» паром. Образовавшаяся парогазовая смесь направляется в турбокомпрессор. Далее смесь совершает работу в двигателе, где смешивается с паром, охлаждающим турбину. После турбины парогазовая смесь поступает в котёл-утилизатор, где отдаёт тепло генерируемому перегретому пару. Затем охлажденная смесь подаётся в контактный конденсатор, в котором конденсируется не только пар, поступивший в камеру сгорания и проточную часть двигателя, но и часть паров воды, образовавшихся при сгорании топлива. Тепло, отобранное от смеси в контактном конденсаторе, при помощи теплонаносной установки передаётся сетевой воде. На выходе контактного конденсатора имеется смесь газов: N2, O2, H2O, CO2 и Ar при относительной влажности 100%.

После питательного насоса вода подаётся в котёл-утилизатор. После чего перегретый пар с заданными параметрами направляется в паровую турбину. Отработанный в паровой турбине пар делится на два потока. Один поток (большая часть пара) поступает в КУ для вторичного перегрева, после чего – в камеру сгорания двигателя. Второй поток, сохранивший небольшой перегрев, после ПТ направляется для охлаждения парогазовых турбин и далее сбрасывается в проточную часть ПГУ. Давление за паровой турбиной определяется из условия равенства давлений на выходе из компрессора и пара при выходе из паровой турбины.

Согласно имеющимся экспериментальным данным было принято, что количество «экологического» пара равно:

,

где  – коэффициент избытка воздуха в камере сгорания; L₀ – стехиометрический коэффициент топлива (для продуктов сгорания метана в воздухе L₀=17,208) .