2.2.6 Газотурбинные установки

На отечественных ТЭС начинают широко использо­вать газотурбинные установки (ГТУ). В отличие от паротурбинного цикла (паросилового цикла Ренкина для водяного пара) в циклах ГТУ рабочим телом служат нагретые до высокой температуры сжатые газы. В качестве таких газов чаще всего используют смесь воздуха и продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива.

Тепловая схема электростанции с газовыми турбинами представлена на рис. 2.10. Воздушный компрессор1сжимает атмосферный воздух и непрерывно подает его в камеру сгорания3. Туда же специальным насосом непрерывно подается необходимое количество жидкого или газообразного топлива. Образующиеся в камере продукты сгорания с высокой температурой и практически под тем же давлением, что и на выходе из компрессора поступают в газовую турбину4. В газовой турбине продукты сгорания адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается, а давление уменьшается почти до атмосферного. Весь перепад давлений используется для получения работы в турбине. Часть этой работы расходуется на привод компрессора, а остальная — на производство электроэнергии в генераторе5. Расход энергии на привод топливного насоса невелик, и в первом приближении его можно не учитывать.

КПД газотурбинного цикла тем выше, чем выше степень сжатия подаваемого воздуха. Это связано с увеличением температуры в конце процесса сжатия и соответственно температуры газов перед турбиной.

К сожалению, максимальная температура газов перед турбиной ограничивается жаропрочностью металла, из которого делают ее основные элементы. Для авиационных турбин эта температура составляет 1100…1200ºC, а для стационарных — 750…850ºC. Поэтому приходится сознательно идти на снижение температуры горения топлива (за счет подачи излишнего количества воздуха).

Выхлопные газы на выходе из турбины имеют еще достаточно высокую температуру, поэтому целесообразно использовать их для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания. С этой целью в установке предусмотрен регенератор 2. Регенеративный подогрев воздуха позволяет существенно повысить КПД установки.

Основу современных газотурбинных электростанций России составляют ГТУ мощностью 25…100 МВт. Их КПД составляет от 21,4 до 40% (бóльшие значения соответствуют более мощным установкам). Применение регенеративного подогрева воздуха позволяет повысить значение КПД до 48…60%. В последние годы для электроснабжения газовых и нефтяных месторождений получили широкое распространение газотурбинные электростанции малой мощности (от 2, до 25 МВт).

2.2.7 Парогазовые установки

Отработанные в ГТУ газы имеют высокую температу­ру, что неблагоприятно сказывается на КПД термодина­мического цикла. Совмещение газо- и паротурбинных агрегатов таким образом, что в них происходит совмест­ное использование теплоты, получаемой при сжигании топлива, позволяет на 8…10% повысить экономичность работы установки, называемой парогазовой, и снизить ее стоимость на 25%.

Тепловая схема парогазовой установки (ПГУ) показана на рис. 2.11.Парогазовые установки, использующие два вида ра­бочего тела: пар и газ, — называются бинарными. Парогазовый цикл содержит газотурбинную ступень в области высоких температур и паротурбинную в области низких. Отработавший в газовой турбине газ отдает свою теплоту в паротурбинной ступени для целей получения пара, его промежуточного перегрева и для нагрева питательной воды. Работа паротурбиной секции происходит так же, как и в конденсационной электростанции, за тем исключением, что регенеративный подогрев воды осуществляется горячими выхлопными газами газовой турбины. При необходимости в паровой котел может добавляться топливо.

В парогазовой установке термический КПД общего цикла больше, чем КПД каждого из составных циклов (газового и пароводяного), следовательно, наибольшего из них и может достигать 72…87%.

Электростанции на базе парогазовых установок не только очень эффективны, но и отвечают самым жестким экологическим требованиям. Например, уровень выброса оксида азота, такими электростанциями, в 2–3 раза ниже, чем у газовых или дизельных. Именно поэтому около 65% всех строящихся в мире электростанций комплектуются парогазовыми установками.