Парогазові установки (ПГУ) з уприскуванням пари

Парогазові установки (ПГУ) з уприскуванням пари

В даний момент у всіх промислово розвинених країнах на теплових електростанціях знаходять широке застосування комбіновані парогазові установки (ПГУ) працюють за бінарним циклом. Для збільшення ККД парогазових установок все частіше застосовують уприскування “енергетичного” пара.

У роботах [1-6] показана економічна доцільність введення установок з уприскуванням пара. У ПГУ контактного типу перегрітий пар, отриманий в котлі-утилізатори (КУ) за рахунок тепла відхідних газів, може подаватися або в предвключённую парову турбіну (ПТ), що збільшує ККД установки, або безпосередньо в камеру згоряння (КС) двигуна. Якщо пар надходить в ПТ, то після здійснення в ній роботи він ділиться на два потоки: перший (велика частина пара) направляється в КУ для вторинного перегріву, а другий – для охолодження турбін двигуна. Пар, отриманий після вторинного перегріву, надходить в дві зони КС двигуна: в зону горіння ( “екологічний” впорскування пари) і безпосередньо перед турбіною ( “енергетичний” впорскування пари). Подача “екологічного” пара здійснюється для зниження викиду забруднюючих речовин і в першу чергу оксидів азоту (NOx).

Важливо відзначити, що в ПГУ середньої та невеликої продуктивності можна використовувати газогенератори серійних авіаційних двигунів, що працюють на знижених режимах, що в поєднанні з охолодженням гарячої частини двигуна слабо перегрітою парою дозволяє реалізувати ресурс ПГУ, який можна порівняти з ресурсом сучасних промислових паро- і газотурбінних установок.

Розглянута схема ПГУ при параметрах робочого процесу: Т * г = 1623К і p * к = 10 забезпечує досягнення ККД більше 50% і, що не менш важливо, отримання високої питомої потужності (майже 1МВт на 1 кг / с повітря на вході в компресор) .

Збільшення параметрів робочого процесу (температури газу перед турбіною і ступеня підвищення тиску в циклі) в поєднанні з використанням перспективних жароміцних матеріалів для виготовлення елементів гарячої частини двигуна дозволить отримати ККД установки більше 55%. Істотне збільшення ККД ПГУ (за інших рівних умов) в порівнянні з паровими, так і з газотурбінними установками (ККД останніх, як правило, не перевищує 35%) обумовлено наступними факторами:

• утилізація тепла в котлі-утилізатори;
• збільшенням витрат робочого тіла через силову турбіну;
• підвищену працездатність звичайних продуктів згоряння вуглеводневого палива (в результаті більш високого значення газової постійної парогазової суміші);
• стисненням парової компоненти робочого тіла в рідкій фазі.

Розглянемо схему установки представлену нижче. Атмосферне повітря надходить в компресор, де він стискається до заданого повного тиску, а потім направляється в камеру згоряння двигуна, куди подається і паливо. У камері згоряння ПГУ продукти згоряння палива змішуються з «екологічним» і «енергетичним» парою. Новоутворена парогазова суміш направляється в турбокомпресор. Далі суміш робить роботу в двигуні, де змішується з парою, охолоджуючим турбіну. Після турбіни парогазова суміш надходить в котел-утилізатор, де віддає тепло генерується перегрітому пару. Потім охолоджена суміш подається в контактний конденсатор, в якому конденсується не тільки пар, що надійшов в камеру згоряння і проточну частину двигуна, але і частина парів води, що утворилися при згорянні палива. Тепло, відібране від суміші в контактному конденсаторі, за допомогою теплонасосної установки передається мережевий воді. На виході контактного конденсатора є суміш газів: N2, O2, H2O, CO2 і Ar при відносній вологості 100%.

Після живильного насоса вода подається в котел-утилізатор. Після чого перегрітий пар із заданими параметрами прямує в парову турбіну. Відпрацьований в паровій турбіні пар ділиться на два потоки. Один потік (велика частина пара) надходить в КУ для вторинного перегріву, після чого – в камеру згоряння двигуна. Другий потік, що зберіг невеликий перегрів, після ПТ направляється для охолодження парогазових турбін і далі скидається в проточну частину ПГУ. Тиск за паровою турбіною визначається з умови рівності тисків на виході з компресора і пари при виході з парової турбіни.

Згідно з наявними експериментальними даними було прийнято, що кількість «екологічного» пара одно:

,

де – коефіцієнт надлишку повітря в камері згоряння; L₀ – стехиометрический коефіцієнт палива (для продуктів згоряння метану в повітрі L₀=17,208) .