В структуре топливного баланса энергосистем многих регионов основная доля в настоящее время приходится на природный газ.
Сейчас газообразное топливо дороже твердого в среднем на 25…30% (в пересчете на условное), но в некоторых регионах России различие в стоимости значительно больше. В связи с этим одним из приоритетных направлений развития энергетики является создание в перспективе высокоэкономичных теплоэнергетических установок с частичной или полной заменой газообразного топлива твердым, в частности, парогазовых установок.
Непосредственное использование твердого топлива в ПГУ связано с проблемой его сжигания в камере сгорания (КС) ГТУ и последующей очисткой продуктов сгорания от твердых частиц. Несмотря на то, что в ряде стран (США, Германии и др.) достигнуты определенные успехи в этом направлении, надеяться на широкое применение таких ГТУ в ближайшее время не приходится. Из принципиально возможных технологий использования твердого топлива в ПГУ до стадии опытно-промышленной проверки на пилотных образцах приведены две: с предварительной газификацией угля и последующим сжиганием газа в камере сгорания ГТУ; с сжиганием угля в топке с кипящим слоем высоконапорного парогенератора, одновременно являющегося и камерой сгорания. Такие ПГУ имеют громоздкие схемы, их стоимости сравнительно высоки, а КПД не превышают 40…45%. При усовершенствовании оборудования фирмы- изготовители обещают увеличение КПД до 45%. Широко известные ПГУ со сбросом отработавших в турбине газов в топку низконапорного парогенератора, использующего твердое топливо, реализуют частично бинарные циклы, и поэтому имеют относительно низкий КПД (до 45%).
Более высокие КПД (до 55…60%) достигаются в полностью бинарных циклах с температурой t3 перед турбиной 1200…1460°С. Здесь возможна частичная или даже полная замена газообразного топлива твердым в процессе подвода теплоты к термодинамическому циклу (в его газовой части). Одна из рациональных схем таких двухтопливных бинарных ПГУ имеет комбинированный горячий источник — последовательно соединенные воздушный котел (ВК), использующий твердое топливо, и камеру сгорания. Сжатый в компрессоре воздух сначала нагревается в воздушном котле (воздухонагревателе) за счет сжигания угля, а затем поступает в камеру сгорания,. где дополнительно сжигается газ. Сжигание угля и очистка дымовых газов производятся при атмосферном давлении (как в традиционных котлах). Создание пылеугольных ГТУ в США, Германии, Франции, Великобритании осуществляется в рамках государственных программ. Большой комплекс работ в этом направлении ведется и в России.
В воздушных котлах с керамическими поверхностями нагрева воздух подогревается до 1000… 1200”С, что при полной нагрузке ПГУ обеспечивает долю твердого топлива в подводе теплоты до 50…60% при температуре газа перед турбиной 1500…1600°С. Стоимость воздушного котла при этом может составить 20…30% стоимости всей ПГУ.
При снижении нагрузки возможна полная замена природного газа твердым топливом, Рабочим телом газовой ступени в этом случае будет чистый воздух.
Наличие двух видов топлива и комбинированного горячего источника накладывает особенности на выбор рациональных схем и наивыгоднейших параметров парогазовых установок. Разработаны методики термодинамического анализа и технико-экономической оптимизации двухтопливных бинарных ПГУ, предложены дополнительные показатели, отражающие величину экономии газообразного топлива, ее взаимосвязь с термодинамическими параметрами цикла и массогабаритными характеристиками воздушного котла.
Проведенная схемно-параметрическая оптимизация ПГУ с учетом реальных характеристик твердотопливных воздушных котлов показала существенное отличие оптимальных параметров (особенно газовой ступени и относительного расхода пара) от размеров воздушного котла и уровня мощности установки по сравнению с однотопливными вариантами.
При современном уровне цен на уголь и природный газ, а также на теплообменное оборудование оптимальные степени повышения давления составляют 4…6, оптимальный относительный расход пара — 0,22…0,24, оптимальная температура подогрева в воздушном котле сжатого воздуха 650…800°С.
Отношение расхода газа к расходу твердого топлива при оптимальных параметрах находится в пределах 0,30…0,75. При отсутствии воздушного котла (классическая схема) оптимальные . степени повышения давления в компрессоре и относительный расход составляют 8…15 и 0,12…0.15.
Полученные результаты указывают на необходимость проведения комплексных оптимизационных исследований двухтопливных ПГУ с учетом системных факторов.
По материалам конференции UKR-POWER
А.Б.Дубинин, А.М.Чертыков, Р.А.Дубинин, С.П.Никитин Саратовский государственный технический университет,
ОАО «Сургутнефтегаз»
