CC BY
0
УДК 621.438
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-219-220
ТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭНЕРГЕТИКЕ РОССИИ, ИХ ПРЕИМУЩЕСТВА
ИНЕДОСТАТКИ
П.А. Конов
В статье рассмотрены основные типы турбинных установок, применяемых на Российских тепловых электростанциях. Описаны конструкции паротурбинных, парогазовых и газотурбинных установок. Рассмотрены термодинамические циклы и принципиальные схемы данных установок. Приведены их достоинства и недостатки, в которых отмечены как преимущества друг перед другом, так и сравнение с классической паротурбинной установкой.
Ключевые слова: паровая турбина, парогазовая турбинная установка, газотурбинная установка, термический КПД, термодинамический цикл, тепловая электростанция.
Паротурбинные установки. С самого зарождения энергетики в России, для выработки электроэнергии применялись паротурбинные установки (ПТУ). Именно ПТУ применяются на большинстве теплофикационных станций и в настоящее время. Паротурбинная установка - совокупность паровой турбины и электрогенератора. За счёт вращения ротора, механическая энергия преобразуется в электрическую. В свою очередь, паровая турбина преобразует тепловую энергию (пара, газа) в механическую энергию вращения ротора [1].
Простейшая теплосиловая установка состоит из следующих элементов: парового котла (1), пароперегревателя (2), паровой турбины (3), 3-х фазного генератора (4), конденсатора (5), циркуляционного насоса (6), конден-сатного насоса (7), подогревателя (8), питательного насоса (9), деаэратора (10). Упрощенная схема такой установки изображена на рис. 1.
Описать работу данной тепловой станции можно следующим образом: паровой котёл вырабатывает пар высокого давления; затем этот пар подаётся на пароперегреватель, где повышается его температура и возрастает потенциальная энергия; затем перегретый пар высоких параметров подводится к паровой турбине; пройдя через несколько ступеней лопаток, пар расширяется, потенциальная энергия пара переходит в механическую, а затем в электрическую, получая на обмотках генератора электрический ток; отработавший пар поступает в конденсатор, где он охлаждается и меняет своё агрегатное состояние за счёт фазового перехода; конденсат, с помощью конденсатного насоса, подаётся на подогреватель, где происходит его подогрев до заданных параметров; затем подогретый конденсат поступает в деаэратор, где из воды удаляются частички растворённых газов, а потом, с помощью питательного насоса, деаэрированная вода подаётся в котёл.
В идеальных условиях, если выполнить схему 1 без пароперегревателя и пустить в турбину насыщенный пар, теоретически можно получить цикл Карно. Но для влажного пара, процессы подвода и отвода теплоты являются изотермическими [2]. На рис. 2 можно увидеть цикл Карно для влажного пара.
Pua 2. Цикл Карно для влажного пара е T-S диаграмме
Обратим внимание на линию 3-4, это адиабатное сжатие влажного пара в компрессоре, до его полного конденсирования; 4-1 - испарение воды в котле; 1-2 - адиабатное расширение пара в турбине; 2-3 - частичная конденсация пара в конденсаторе.
Работа сжатия влажного пара в компрессоре до его конденсации сильно превышает работу сжатия воды, к тому же для работы компрессора необходима дополнительная энергия, что увеличивает затраты на собственные нужды и число потерь вследствие работы сжатия. Поэтому, используя преимущества полной конденсации, применять цикл Карно нецелесообразно. В связи с этим на всех тепловых станциях с паросиловыми установками применяется цикл с полной конденсацией пара - цикл Ренкина [2]. Идеальный цикл Ренкина для теплосиловой установки, работающей на перегретом паре, изображен на рис. 3.
Г1 )d
V / k A—
» 1 ч
а /'//у////// у/////////^ N
а' Т 'К е
1 2
Рис. 3. Идеальный цикл Ренкина е T-S диаграмме
Рассмотрим процессы на этой диаграмме: a'a - процесс адиабатного сжатия воды в питательном насосе; ab - процесс нагрева питательной воды в котле до температуры кипения; bc - испарение воды в котле; cd - перегрев пара в пароперегревателе; de - изоэнтропическое расширение пара в турбине; ea'- конденсация отработавшего пара в турбине. Все количество теплоты, которое пойдёт на нагрев воды и пара графически ограничивается площадью фигуры 1abcd21.
Несмотря на свою массовость, простоту эксплуатации и возможность использовать энергетические котлы, работающие на любом виде топлива, ПТУ имеют и недостатки: главный из которых - низкая эффективность, поскольку термический КПД цикла Ренкина без дополнительного подогрева воды, промежуточного перегрева пара и других усложнений конструкции не может превышать 29 - 33 % (в максимально усложнённом варианте КПД не превышает 35 - 40%). Также к недостаткам ПТУ можно отнести высокие требования к качеству воды и высокую стоимость, особенно для турбин критического и сверхкритического давлений [1,2].
Парогазовые установки. С дальнейшим развитием энергетики, в 50-60 годах XX века, стало ясно, что ПТУ не способны полностью справляться с растущими потребностями большой энергетики нашей страны. С тех пор на крупных тепловых станциях началась постепенная модернизация и переход с паротурбиных установок на парогазовые установки (ПГУ). ПГУ имеют более высокую экономичность по сравнению с ПТУ, в которых используются только теплосиловые паровые или теплосиловые газовые циклы.
Парогазовые установки (ПГУ) работают за счёт комбинации паротурбинной и газотурбинной установок, а термодинамический цикл ПГУ представляет собой комбинированный цикл, состоящий из цикла Ренкина паротурбинных установок и цикла Брайтона газотурбинной установки. Поэтому комбинированный цикл ПГУ называют также циклом Ренкина-Брайтона. Термодинамические циклы, такие как цикл Ренкина-Брайтона, по-другому называются бинарными. Принципиальная схема установки ПГУ работающая по бинарному циклу изображена на рис. 4.
Рис. 4. Принципиальная схема ПГУ
Газотурбинная установка, состоит из воздушного компрессора К, камеры сгорания КС, газовой турбины ГТ и электрического генератора Г; паротурбинная установка, включает паровую турбину ПТ, конденсатор КН, насос Н и электрический генератор Г, а также котел-утилизатор КУ, который вырабатывает перегретый пар за счет теплоты уходящих газов газовой турбины.
Строение всех ПГУ можно разделить на две основных области: область высоких температур и область низких температур. Газовая часть ПГУ представляет собой область высоких температур, где максимальные температуры газа составляют в среднем 1350-1500 °С. Область низких температур приходится на паровую часть, где уходящие газы перед котлом утилизатором составляют в среднем 400-600 °С.
Принцип работы такой парогазовой установки прост: топливо и воздух под большим давлением после компрессора поступают в камеру сгорания ГТУ, затем продукты сгорания поступают в газовую турбину, где по принципу ПТУ совершают работу вращая ротор, вырабатывая электроэнергию с помощью генератора. Отработавшие в ГТ продукты сгорания поступают в котел - утилизатор, где их теплота используется для получения перегретого пара, необходимого для выработки электроэнергии в паротурбинном цикле [2,3]. Т^ диаграмма цикла Ренкина -Брайтона изображена на рис. 5.
Опишем работу цикла Брайтона: процесс 1-2д - процесс сжатия воздуха в компрессоре; 2д-3 - подвод теплоты в камере сгорания; 3-4д расширение продуктов сгорания в турбине; 4д-5 - отвод теплоты продуктов сгорания прошедших через турбину. Процесс 6-7д-7'-8д-6 относится к циклу Ренкина, описанному ранее.
Основное преимущество ПГУ перед ПТУ в том, что суммарный термический КПД газовой и паровой частей может достигать от 58 до 60% в зависимости от сложности схемы, но при условии, что 2/3 вырабатываемой энергии приходится на газовую часть, а 1/3 на паровую. Парогазовые установки потребляют меньше воды на единицу вырабатываемой электроэнергии по сравнению с паросиловыми установками; быстрые сроки строительства и ввода в эксплуатацию (9-12 мес.); за счёт своей экономичности нет необходимости в постоянном подвозе топлива; компактные размеры позволяют возводить непосредственно у потребителя (завода или внутри города), что сокращает затраты на ЛЭП и транспортировку электроэнергии; более экологически «чистые» за счёт применяемого топлива в сравнении с паротурбинными установками [4,5].
Рис. 5. T-S диаграмма цикла Ренкина - Брайтона
Основные недостатки ПГУ: необходимость обязательной фильтрации воздуха (в некоторых случаях для повышения КПД применяется предварительный подогрев); ограничение по использованию топлива (можно применять только жидкое и газообразное топливо), обычно в качестве основного топлива используется природный газ, а в качестве резервного - дизельное [4].
Парогазовые установки имеют наибольшие значения КПД среди других тепловых двигателей и в перспективе являются одним из наиболее востребованных направлений современной энергетики. В настоящее время ПГУ являются одними из самых часто возводимых сооружений при строительстве и реконструкции тепловых станций в мировой и отечественной теплоэнергетике. Использовать ПГУ выгодно, как с энергетической точки зрения, так и с экологической. Поэтому в России продолжается развитие данного направления на тепловых электростанциях. ПГУ продолжают внедряться как на существующих электростанциях, в дополнения к классическим ПТУ, так и на строящихся электростанциях.
Газотурбинные установки. Газотурбинные установки (ГТУ) - это энергетические установки, состоящие из газовой турбины и электрогенератора размещенные в одном корпусе. В отличии от ПГУ, ГТУ могут применяться там, где трудно подвести коммуникации для строительства ПГУ. В ГТУ делается упор на режим когенерации или тригенерации (одновременная выработка тепловой, электрической энергии и энергии холода). Поскольку турбина и генератор размещаются в одном корпусе, такая установка довольно компактная и не требует много места для монтирования, её проще транспортировать и применять в отдалённых и труднодоступных районах с любыми климатическими условиями, как основной или резервный источник электроэнергии и тепла для объектов производственного или бытового назначения. Большинство ГТУ работают по циклу Брайтона, в качестве топлива используют любое жидкое и газообразное топливо, что позволяет использовать такие установки на промышленных предприятиях, в нефтегазовой промышленности и муниципальных образованиях. ГТУ могут работать как совместно с котлом утилизатором, так и без него [6].
Преимущества ГТУ заключаются в том, что они могут работать на низкокалорийном топливе с минимальной концентрацией метана (до 30%). Они компактны, экологичны, полностью автоматизированы, что позволяет держать минимум эксплуатационного и обслуживающего персонала, в зависимости от степени автоматизации.
Главным недостатком ГТУ является сложность ремонта и обслуживания, за счёт того, что на данный момент такие турбины в России не производятся, и импортные комплектующие приходиться заказывать через другие страны - посредников. КПД ГТУ ниже, чем у ПГУ и приблизительно равен КПД паротурбиных установок (КПД ГТУ 33-39%), что делает их применение в крупной энергетике нецелесообразным.
Несмотря на недостатки, ГТУ успешно внедряются и используются в малой энергетике России. Проводится постоянное анализирование мирового и Российского рынка турбинного оборудования. Крупнейшие Российские предприятия по производству энергетического оборудования выпускают опытные образцы отечественных газотурбинных установок, возможно, в скором времени, на Российский рынок поступят газовые турбины отечественного производства, и энергетика России станет развиваться интенсивнее, чтобы продолжать удовлетворять растущие потребности потребителей на электроэнергию и тепло.
Список литературы
1. Трухний А.Д. Стационарные и паровые турбины. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1990.
640 с.
2. Турбины тепловых и атомных электрических станций: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / А.Г. Костюк, В.В. Фролов, А.Е. Булкин, А.Е. Трухний; Под ред. А.Г. Костюка, В.В. Фролова. М.: Издательство МЭИ, 2001. 488 с.
3. Портал Studme.org. [Электронный ресурс] URL: https://studme.org/Главная/Техника/Теоретические основы теплотехники/Цикл парогазовой установки с котлом утилизатором (дата обращения: 16.01.23).
4. Зейнетдинов Р.А., Шапкин Д.В. Перспективы развития парогазовых установок. [Электронный ресурс] URL: https://scienceforum.ru/2016/article/2016029453 (дата обращения: 10.05.2023).
5.Белков М.Л., Лобов Д.Д. Сравнительный анализ газотурбинных и парогазовых технологий производства энергии. [Электронный ресурс] URL: https://cvberleninka.ru/artide/n/sravnitelnvv-analiz-gazoturbinnvh-i-parogazovyh-tehnologiy-proizvodstva-energii/viewer (дата обращения: 10.05.2023).
6. Портал Neftegaz.ru [Электронный ресурс] URL: https://neftegaz.ru/Главная/Техническая библиотека/Электростанции/Газотурбинная установка (ГТУ) (дата обращения: 16.01.23).
TURBINE PLANTS USED IN THE POWER INDUSTRY OF RUSSIA, THEIR ADVANTAGES AND DISADVANTAGES
P.A. Konov
The article considers the main types of turbine units used at Russian thermal power plants. The designs of steam-turbine, combined-cycle and gas-turbine installations are described. Thermodynamic cycles and schematic diagrams of these installations are considered. Their advantages and disadvantages are given, in which both advantages over each other and comparison with a classic steam turbine plant are noted.
Key words: steam turbine, combined cycle turbine plant, gas turbine plant, thermal efficiency, thermodynamic cycle, thermal power plant.
Konov Pavel Andreevich, master, operator, [email protected], Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
УДК 628.477
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-222-223
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАВОДОВ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ И ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫХ ОТХОДОВ
Д.Н. Янтурин, Е.А. Дуденков, К.М. Шахбанов
В данной статье рассматривается проблема утилизации полимерных отходов. Проблема носит глобальный характер и связана в первую очередь с устойчивым ростом промышленного производства, что сопровождается увеличением количества твердых бытовых и промышленных отходов. В данной статье представлены основные производители установок утилизации отходов полиэтилена и полипропилена и способы усовершенствования.
Ключевые слова: утилизация, переработка, экструдер, электроэнергия.
Среди современных проблем, стоящих перед мировым сообществом, проблема утилизации и переработки полимерных отходов очень актуальна. Проблема носит глобальный характер в природе и связано первоначально с устойчивым ростом промышленного производства, сопровождаемый ростом количества твердых бытовых и промышленных отходов.
Повышение энергоэффективности теплоэлектростанций (ТЭЦ) всегда была первостепенной задачей развития теплоэнергетики. В нынешнем состоянии оптового рынка электричества и рыночной стоимости, способность ТЭЦ конкурировать с другими электростанциями, с такими как атомные электростанции, гидроэлектростанции значительно усложняется. Несмотря на расположение ТЭЦ в центре нагрузки, тарифы на электричество включает в себя цену транспортировки, сравнимую с ценой производства электроэнергии.
Значительное снижение производства теплоты с горячей водой и технологическим паром негативно влияет на эффективность ТЭЦ, что приводит к снижению производства электроэнергии на тепловом потреблении (отоплении) и в росте значений удельного расхода топлива для снабжения электрической и тепловой энергией. Так, согласно данным МинЭнерго России, сжигание топлива в ТЭЦ по сравнению с 1992 годом составляет около 37 миллионов тонн в год.
В текущих условиях, когда оптимизируют системы теплоснабжения, планируют реконструкцию тепловых агрегатов, все чаще рассматривается вывод из эксплуатации тепловых турбин и перенос тепловой нагрузки на водогрейные котлы, т.е. отказ от производства электроэнергии.
По мнению авторов, повышение эффективности и инвестиционной привлекательности систем отопления возможно за счет расширения функциональности ТЭЦ, в особенности, за счет разработки технических и технологических решений, направленных на эффективную термическую переработку городских и промышленных отходов.
Совместное использование инфраструктуры ТЭЦ для термической обработки коммунальных и промышленных отходов позволяет использовать ряд важных преимуществ:
- полученная низкопотенциальная тепловая энергия применимо для сушки отходов с целью повышения теплоты сгорания и качества переработки;
- возможность повышения экономичности ТЭЦ за счет частичной замены основных типов топлива отходами, а также за счет продаж пластиковых и резиновых переработанных продуктов на рынке;
- значительное снижение цены транспортировки отходов из-за расположения ТЭЦ в городе;
- снижение капитальных затрат на строительство заводов термической обработки отходов благодаря использованию имеющейся инфраструктуры ТЭЦ;
- возможность термического разложения ядовитых веществ в котлах ТЭЦ;
- наличие высококвалифицированных специалистов.
В настоящее время в Российской Федерации реализуется программа промышленного развития стратегии для обработки, утилизации и нейтрализации производственных и потребительских отходов в период до 2030. Основной целью стратегии является введение систем раздельного сбора коммунального мусора с разделением
