CC BY
191
УДК 66.047
В.В. Козляков, О.В. Козлякова, В.Б. Сажин*, A.C. Буток
Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия * Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ПРИМЕНЕНИЕ ВОДОРОДА В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
The prospects for the use of gas turbines in thermal power plants. It is shown that the main shortcomings of condensing steam turbines (for combined heat and power) is the heat transfer at low pressure in the furnace of the boiler and the high values of toxic emissions of CO. To eliminate them, need technology development staged combustion of fuel, which requires the modernization of the object. The numerical experiment on a specially created mathematical models of gas turbine plant to study the effect of the secondary heat supply to its effective performance. It was found that increasing the share of electric power generation must be stepped heat is subject to the limitation of the gas temperature before the power turbine. The technological scheme of energoakkumuliruyuschih material for a clean fuel and power plant using membrane separation technology vapor mixture. This invention relates to the field of gas turbine for cogeneration of electricity and heat and can be used, particularly in combined-cycle power plants.
Рассмотрены перспективы использования газотурбинных установок в тепловых электростанциях. Показано, что основными недостатками конденсационных паротурбинных установок (предназначенных для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии) является подвод тепла при низких значениях давления в топке ПК и высокие значения выбросов токсичных веществ СО. Для их устранения нужна разработка технологии ступенчатого сжигания топлива, что требует модернизации объекта. Проведен численный эксперимент на специально созданной математической модели газо-турбинной установки для исследования влияния вторичного подвода тепла на эффективные показатели ГТУ. Установлено, что для увеличения доли выработки электрической энергии необходимо обеспечить ступенчатый подвод тепла с учетом ограничения температуры газа перед силовой турбиной. Представлена технологическая схема использования энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ) для создания экологически чистой ТЭУ с применение мембранной технологии разделения парогазовой смеси. Данное техническое решение относится к области газотурбинных установок для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии и может быть использовано, в частности, в парогазовых энергетических установках.
Введение моратория во многих странах мира на использование ядерной энергии значительно увеличивает интерес к применению газотурбинных технологий для повышения эффективности теплоэнергетических установках (ТЭУ) [1]. Основные способы преобразования энергии для получения электрической представлены на рис. 1.
Тепловые электростанции (ТЭС) в России вырабатывают 2/3 электроэнергии и больше половины тепловой энергии. ТЭС оснащены паротурбинными установками. В ТЭС небольшой мощности используются газотурбинные установки (ГТУ), выполненные на базе авиационных и судовых ГТД.
Перспективы широкого применения ГТУ в ТЭС, в первую очередь связаны с возможностью обеспечения маневренной работы по выработки электроэнергии по теплофикационному циклу и в значительной степени повышению экологических показателей производства энергии. На рис. 2.
представлены основные канцерогенные вещества, образующиеся в результате выделения тепловой энергии при сгорании углеводородного топлива. Наибольшие термодинамические и экономические выгоды обеспечиваются при объединении газотурбинного и паротурбинного циклов.
Химическая энергия
у ^ Сжигание топлива
О = и + А
Внутренняя анергия
Кинетическая энергия
Электрическая энергия
Процесс Механическая
расширения
©Распад ядерного топлива
Ядерная, энергия.
ЕОС
О
Трансформация энергии
работа
—7-10? кБт-ч' электрической энергии в год
Рис. 1. Основные способы преобразования энергии в электрическую
При характерной для ГТУ высокой температуре подвода тепла и низкой температуре отвода тепла в конденсаторе паротурбинной установки позволяет в комбинированном объединенном цикле существенно увеличить КПД.
Рис. 2. Основные виды воздействия на атмосферу и человека при углеводородном топливном цикле.
Основные виды ТЭУ и их комбинации представлены на рис. 3. настоящее время известны технические решения по использованию тепла отработавших газов ГТД. Температура отработавших газов достигает 550°С и используется для производства пара. Это позволяет получить дополнительную электроэнергию за счет расширяющегося пара в паровой турбине или обеспечить получение тепловой энергии в системе теплоснабжения с высокими показателями.
Рис. 3. Основные виды теплоэнергетических установок и их комбинации. ТГТУ - теплофикационная газотурбинная установка; КЭС - конденсационная электрическая станция; ПГУ - парогазотурбинная установка
Широкое распространение получили конденсационные паротурбинные установки (ПТУ) предназначенные для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.
Рис. 4. Двухступенчатая схема выделения тепловой энергии
Основным недостатком ПТУ является подвод тепла при низких значениях давления в топке ПК и высокими значениями выбросов токсичных веществ СО [3]. Для их устранения нужна разработка технологии ступенчатого сжигания топлива, что требует модернизации объекта. Вследствие высокой экологической нагрузки ПТУ расположены за чертой города, что увеличивает потери при передаче тепловой энергии. Схема двухступенчатого
подвода тепла со вторичным подводом водорода представлена на рис. 4.
ТЭУ можно представить как устройство, в котором осуществляется комбинированный процесс преобразования энергии, проходящий три основных этапа. На рис. 5. представлена обобщенная модель ТЭУ- устройства предназначенного для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию.
Рис. 5. Вид обобщенной модели преобразователя тепловой энергии.
ТЭУ с энергообменом имеют общее свойство. Рабочий процесс ТЭУ состоит из двух основных циклов: генераторного и основного. Генераторный цикл служит не только для получения полезной работы, но и для вырабатывания энергии, передаваемой термодинамическому рабочему телу (ТРТ), участвующему в основном цикле. Основной цикл это цикл преобразователя энергии, который осуществляет превращение подведенной энергии в полезную работу. Передача энергии генераторного цикла основному циклу возможна в любой форме (в виде механической работы, тепла и т.п.) посредством трансформатора энергии. Трансформатор энергии позволяет не только передавать ее, но что более важно управлять процессом ее передачи. При этом возможно воздействие, т.е. управление процессом ее передачи, которое осуществляется путем дополнительного подвода тепловой энергии, ввода дополнительного ТРТ или их комбинацией.
Способ и совершенство процесса передачи энергии в значительной степени будут определять эффективность ТЭУ. В зависимости от способов передачи энергии от генераторного цикла основному ТЭУ можно разделить на три основные группы:
1. ТЭУ с отбором механической работы, но без отбора теплоты, т.е. без передачи теплоты от генераторного цикла основному.
2. ТЭУ с отбором теплоты, но без отбора механической работы от генераторного цикла, т.е. с теплообменником в контуре генератора.
3. ТЭУ с отбором механической работы и тепловой энергии от генераторного цикла.
Рис. 6. Влияние вторичного подвода тепла на эффективный КПД rjc эффективный КПД; тр электрический КПД; rji теплофикационный КПД
Методически такое деление обосновано по принципу энергообмена. Необходимо отметить, что передача теплоты осуществляется посредством другого рабочего тела участвующего в процессе энергообмена, в качестве которого рассматривается водяной пар.
Рис. 7. Схема экологически чисотй теплоэнергетической установки для выброса СО 2 на основе применения энергоаккумулирующих веществ КВ - канцерогенные вещества; ОГ - отработанные газы
Дальнейшее деление ТЭУ связано с процессами дивергенции массы ТРТ, т.е. с процессами смешения тел, участвующих в обоих циклах.
Предложения по разработке новых технологических схем связаны с модернизацией существующих ТЭУ, которые предназначены для повышения их эффективности и улучшения экологических показателей путем надстройки газотурбинными блоками. Основным условием при выборе типа ГТУ для совместной работы является ее эксплуатация в течение года с полной утилизацией теплоты отходящих газов независимо от теплопроизводи-тельности котла. Это требование может быть выполнено только при условии работы ГТУ по графику горячего водоснабжения.
Для анализа представленных результатов была разработана математическая ГТУ с двухступенчатой системой подвода тепла в цикле, которая предназначена для выработки тепловой и электрической энергии. Проводились исследования влияния вторичного подвода тепла на эффективные показатели ГТУ. Результаты этого исследования представлены на рис. 6. Видно, что с увеличением температуры перед силовой турбиной происходит рост ее мощности №\св. Доля выработки тепловой энергии составляет 50%. Однако тепловые потери растут более значительно, что приводит к ухудшению экономичности и уменьшению ее доли. В результате КПД выработки электрической энергии падает. В противоположность ему при утилизации тепла КПД выработка тепловой энергии возрастает.Это приводит к увеличению суммарной мощности выработки энергии N2. Таким образом, эффективный КПД выработки тепловой и электрической энергии при вторичном подводе тепла возрастает.
Рис. 8. Принципиальная схема теплоэнергетической установки нового поколения ГВМБР - газоводяной мембранный разделитель; УКВ - утилизатор канцерогенных веществ; КУ- котел-утилизатор; ПГЭ - парогазовый эжектор
Основной вывод из представленных результатов можно сделать следующий, что для увеличения доли выработки электрической энергии необходимо обеспечить ступенчатый подвод тепла с учетом ограничения температуры газа перед силовой турбиной. На рис. 7. представлена технологиче-
екая схема использования энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ) для создания экологически чистой ТЭУ с применение мембранной технологии разделения парогазовой смеси [2,4-6]. Предложенное техническое решение на рис. 8. относится к области газотурбинных установок для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии и может быть использовано, в частности, в парогазовых энергетических установках [3].
Повышение эффективности рабочего процесса (при пиковых нагрузках) парогазовой ГТУ достигается путем использования кинетической энергии пара при присоединении его массы к газовой смеси и наиболее полному использованию тепловой энергии, полученной вследствие химической реакции топлива при двукратном подводе тепла в воздушно-газовом цикле.
Значительное повышение экономичности может быть достигнуто, где тепло отходящих газов ГТУ составляет только часть, тепла используемого в паровом цикле. В этом случае выработка газотурбинной мощности приближается к единице только доля ее в общей мощности комбинированного цикла меньше. Причем, чем выше доля ГТУ, которая следует из следующей зависимости: г|ПГу = 1 ~~ (1—г|ГТу) • (1_ г|111у), тем выше и КПД бинарных парогазовых установок (ПГУ).
Библиографические ссылки
1. Парогазотурбинные установки бинарного цикла на базе газотурбинных двигателей для промышленной теплоэнергетики / В.В.Козляков, О.В.Козлякова // Сборник научных докладов П-го Международного совещания по использованию энергоаккумулирующих веществ в экологии, машиностроении, энергетике, транспорте и в космосе/ ИМАШ РАН. М.: Изд-во ИМАШ РАН, 2001. С. 220 -232.
2. Варшавский И.Л. Энергоаккумулирующие вещества и их использование. Киев: Наукова Думка, 1980. 243 с.
3. Способ получения пиковой мощности на парогазовой газотурбинной установке и парогазовая установка для реализации способа. /В.И.Бакулев, В В. Козляков. Заявка № 5.048.457 от 22.01.92. МКИ Б 01 К 21/04. Патент РФ № 2.076.561 от 10.04.97. Бюл. 10.
4. Казарян Т.С. и др. Мембранная технология в решении экологических проблем газовой промышленности. М.: Недра, 1997. 187 с.
5. Применение энергоаккумулирующих веществ в авиации для получения водорода на аэродроме / В.В.Козляков //«Авиакосмическая техника и технология», 1998. № 1. С. 19-22.
6. Проблемы применение криогенных топлив в авиации и метод профессора И.Л. Варшавского для получения водорода на аэродроме / В В. Козляков // Сборник научных докладов Международного совещания по использованию энергоаккумулирующих веществ в экологии, машиностроении, энергетике, транспорте и в космосе / ИМАШ РАН. М.: Изд-во ИМАШ РАН, 1999. С. 71-80.
