Арсеньев Л.В., Тырышкин В.Г. Комбинированные установки с газовыми турбинами

Подождите немного. Документ загружается.

а давление пара и его расход уменьшать Связь между расходом

пара и его параметрами определяется характеристикой парогене-

ратора и пропускной способностью парового тракта Как показали

расчеты, получить разгрузку установки при воздействии только

на расход топлива в камере сгорания не удается В этом случае

по мере уменьшения мощности установки давление

..ара

падает

быстрее, чем давление

газа

Поэтому на входе в систему охлажде-

ния быстро уменьшается перепад давления между паром и газом,

который уже при нагрузке

90—92

% от номинальной оказывается

близким к нулю

19]

Таким образом, обеспечить широкий диапазон изменения на-

грузки бинарной ГПУ не удается, если воздействовать только на

подачу топлива в камеру сгорания Необходимо включение до-

полнительных регулирующих органов

Эффективным способом дополнительного воздействия на ха-

рактеристики комбинированной установки является изменение

температуры воздуха на входе в компрессор

7\.

Наиболее простое

средство повышения температуры — подмешивание части уходя-

щих из установки

газов

В этом случае дополнительным регули-

рующим органом будет регулирующий клапан, расположенный

на трубопроводе, соединяющем системы выхлопа и подвода воз-

духа Подмешивание отходящих газов к засасываемому компрес-

сором воздуху, оказывается благоприятным

сточки

зрения эконо-

мичности установки, так как повышает ее к. п д на номинальном

режиме [9] Организация частичных режимов воздействием на рас-

ход топлива и температуру засасываемого воздуха с помощью основ-

ного и дополнительного регулирующих органов позволяет обес-

печить постоянство не только частоты вращения ротора, но и

другого параметра установки Высокой термической эффективнос-

тью отличается режим работы, при котором на всех нагрузках

поддерживается предельный уровень температуры газа

В этом

случае при 75 %-ной нагрузке

кпд

установки уменьшается

только на 3 % и даже при половинной нагрузке

кпд

достигает

43—44 % (рис V 7, а).

Обеспечение режима

= const приводит к некоторому росту

температуры стенок охлажденных лопаток ВГТ

(Т

ст

)

В рабочем

диапазоне нагрузок от 50 до 100 % этот рост невелик и не пре-

вышает

35—40

К В этом случае, когда такое увеличение темпе-

ратуры стенки охлаждаемой детали недопустимо возможно за

счет воздействия на температуру воздуха

}

поддерживать тем-

пературу стенки постоянной (режим

ст

= const) При этом тем-

пература газа с уменьшением нагрузки

будет

несколько умень-

шаться и при половинной нагрузке

= 1400 К Закон регули-

рования

const

по сравнению с законом

— const не-

сколько уступает по экономичности, однако понижение

кпд.

незначительно и не является определяющим (рис V 7, а)

Для обоих законов регулирования изменение температуры

воздуха

Т,

в рабочем диапазоне нагрузок не превышает 100 К,

172

поэтому расход подмешиваемого

газа

относительно невелик,

особенно при подмешивании газа после турбины. Такое изменение

температуры воздуха

не должно приводить к существенным

конструктивным изменениям в компрессоре.

а)

т,к

900

700

500

300

Тег

N,%

Рис V 7 Статические характеристики га-

зопаровой установки а — бинарной уста-

новки при воздействии на температуру

бив

— установки с дожиганием при по-

стоянных и скользящих параметрах пара

соответственно

,-—

—

Рп

— —

_—

тп

Тп

^--^

70 80 90 Я,'/.

МПа

23,0

21,0

19,0

Т.

800

600

400

200

Организация переменных режимов бинарной газопаровой уста-

новки путем подмешивания газа позволяет получить весьма

благоприятные статические характеристики этой установки

с сохранением высокой экономичности в широком диапазоне на-

грузок.

173

В качестве дополнительного регулирующего органа газо-

паровой установки с камерой дожигания

мо>>

ет быть использован

дроссельный кран, дозирующий расход топлива в камеру до-

жигания. Воздействие на дожигаемое топливо существенно улуч-

шает маневренные качества установки, так как расширяется

рабочий диапазон изменения мощности. Одним из способов регу-

лирования является работа парового контура при неизменных

параметрах пара. Уменьшение нагрузки при этом осуществляется

за счет падения температуры газа

(рис.

V 7, б), а следовательно,

и падения температуры газа за турбиной

Для обеспечения

постоянства работы парового контура уменьшение

компенси-

руется подачей дополнительного топлива в камеру дожигания.

Наблюдается также сокращение теплоты системы охлажде-

ния

<7о\и>

чт0

приводит при постоянном расходе к сильному сни-

жению

ст

Уменьшение

osn

снижает температуру промежуточ-

ного перегрева пара и увеличивает его влажность в конце расшире-

ния в конденсационной турбине. Уже при 50 %-ной нагрузке

уровень влажности настолько велик, что дальнейшее изменение

нагрузки возможно только при скользящих параметрах пара.

Так как уменьшение нагрузки осуществляется за счет газового

контура, то очевидно значительное уменьшение к. п. д. установки

(35—36

%). Однако изменение нагрузки установки только за счет

газового контура исключает из динамических процессов довольно

инерционный паровой контур и тем самым обеспечивает существен-

ное улучшение динамических свойств. Установка обладает хоро-

шей приемистостью, которая в диапазоне нагрузок от 50 до 100 %

определяется только газовым контуром, обладающим высокой

скоростью набора мощности. Применение интенсивного внутрен-

него охлаждения ВГТ благоприятно сказывается на темпе увели-

чения температуры газа и времени прогрева основных элементов

турбины.

Весь диапазон режимов ГПУ с камерой дожигания может быть

обеспечен и на скользящих параметрах пара. Здесь целесообразно

также применение воздействия на температуру засасываемого

воздуха подмешиванием газа, которое наряду с программой

регулирования

С1

= const позволяет поддерживать постоянной

температуру газа

(рис. V.7, в). Программа управления в этом

случае состоит в том, что регулирование

= const осущест-

вляется воздействием на температуру воздуха

Т\

(подмешивание),

регулирование

С1

= const — расходом пара, а температура пара —

за

<-чет

подачи топлива в камеру дожигания. Рост количества те-

плоты

г/

0ХТ1

при этом методе регулирования благоприятно сказы-

вается на промежуточном перегреве пара и исключает чрезмерную

влажность в конденсационной турбине.

Программа управления установкой при скользящих параме-

трах

п^ра

характеризуется высокой экономичностью при пони-

женных нагрузках К п. д. установки даже при половинной

мощности исключительно высок и составляет 44 % (рис. V.7, в).

174

С другой

стороны,

при скользящих параметрах пара несколько

ухудшаются динамические характеристики Одчако этот не-

достаток не является решающим, так как в рассматриваемой ГПУ

могут быть использованы те же средства улучшения динамиче-

ских свойств, которые применяются в ПТУ Другим недостатком

этого метода является необходимость значительного повышения

температуры воздуха

Tj,

которое при 50 %-ной нагрузке достигает

200 К. Такое увеличение температуры

требует выполнения

определенных конструктивных мероприятий в компрессорах.

Таким образом, газопаровая установка с камерой дожигания

обладает большими возможностями организации частичных режи-

мов, а также улучшения маневренных характеристик Камера

дожигания позволяет осуществить запуск ГПУ, используя для

этой"

цели паровые турбины. Кроме того, открывается возможность

форсировки установки за счет повышения производительности

парогенератора при добавлении расхода дожигаемого топлива

V.8. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОРАБОТОК

ГАЗОПАРОВОЙ УСТАНОВКИ

ПО СХЕМЕ

ЦКТИ—ЛПИ

В течение ряда лет на кафедре турбиностроения ЛПИ

ЦКТИ проводились теоретические, проектные

эксперимен-

тальные работы по охлаждению лопаточного аппарата высоко-

температурной турбины и оборудованию газопаровой установки.

Эти работы показали возможность создания газопаровой установки

с охлаждаемой паром турбиной имеющимися техническими сред-

ствами.

Проектные проработки и исследования были выполнены для

газопаровой установки мощностью 300 МВт. Такая мощность не

является оптимальной для ГПУ по схеме ЦКТИ — ЛПИ, и при

ее повышении экономические показатели будут возрастать, однако

при создании первых образцов установки целесообразно огра-

ничиться этой мощностью Начальная температура

аза~Т

при-

нята равной 1473 К,

госкольку

эту температуру

можно^считать

перспективной для энергетических ГПУ. Экспериментальные ис-

следования охлаждения лопаток ВГТ, выполненные в ЛПИ,

ЦКТИ и других организациях, показали возможность освоения

такой температуры. Ниже приводятся параметры газа и пара,

которые выбирались на основе термодинамического анализа и

простоты создания ГПУ [19]:

Мощность N, МВт 300

Расход воздуха

кг/с . 486

Начальная температура газа

. . . . 1473

Степень повышения давления

я„

9,2

Расход пара

т/ч . 360

Температура пара

813

Давление пара

МПа

Давление в конденсаторе

кПз

3,5

175

В схему установки включена камера дожигания, расположен-

ная перед парогенератором, в которой должно сжигаться около

б % топлива от общего расхода. При этих условиях и принятых

параметрах к. п. д. установки равен 50 %.

Парогенератор газопаровой установки имеет существенные

особенности, обусловленные отсутствием экранированной топки

и наличием только конвективных поверхностей нагрева с не-

высокими температурными напорами. Даже при наличии камеры

дожигания температура газа на входе в парогенератор составляет

973 К.

Рассматривались два типа компоновки парогенератора: вер-

тикальная и горизонтальная. Поскольку горизонтальная уста-

новка дает лучшие массогабаритные показатели, этот вариант

компоновки парогенератора принят для проработки общей ком-

поновки

ГПУ.

Основным проблемным элементом установки является высоко-

температурная газовая турбина с паровой системой охлаждения,

создание которой требует принципиально новых технических

решений. Поэтому разработка конструкции этой турбины, вы-

полненной совместно ЦКТИ и ЛПИ, было уделено большое вни-

мание.

Конструкция турбины принята двухпоточной (рис.

V.8)

из-за

желания уменьшить размеры лопаток, что существенно повышает

надежность ее работы При принятом расходе газа последняя

лопатка имеет длину лишь 450 мм при корневом диаметре 1400 мм

[19]. Газ из шести камер сгорания, расположенных на корпусе

турбины (по три камеры сверху и снизу), попадает во внутренний

кольцевой патрубок 12, откуда распределяется по двум потокам.

Большой расход охладителя (пара) позволил проточную часть

принять многоступенчатой, содержащей в каждом потоке шесть

ступеней. Ротор

турбины

дисковый, со стяжными болтами н раз-

витой системой охлаждения. Статорная часть выполнена

авух-

корпусной с пропуском пара между корпусами.

Пар для охлаждения турбины подводится четырьмя симме-

трично расположенными патрубками 9. Затем пар разделяется на

два

потока-

один — для охлаждения статорных элементов, дру-

гой — роторных.

Для охлаждения статора пар из подводящих патрубков 9

поступает к обоим комплектам первых рядов направляющих

лопаток. Лопатки устанавливаются в корпусе 3, который охва-

тывается тонкостенной наружной оболочкой. Система кольцевых

ребер 13 обеспечивает движение пара таким образом, что он после-

довательно проходит охлаждающий тракт лопатки по схеме одно-

контурного охлаждения. Таким образом, пар, движущийся между

внутренним корпусом и направляющей оболочкой, последова-

тельно проходит пять рядов направляющих лопаток, после чего

за пределами направляющей оболочки проходит в кольцевое

пространство между внутренним и наружным корпусом турбины.

176

Выхлопной

патрубок

Ф3500

—

Рис V 8 Продольный разрез

высокотемпературной

турбины с паровым охлаждением

внутренний охлаждаемый выхлопной патрубок, 2 — наружный

корпус,

3 — внутренний

корпус-

— напра

ор

облопачиванием

ь - стяжной болт, 7

паровой охлаждающий тракт

статора

8 ~ паровой

охлаждающий

водной

паровой патрубок, 10

радиаторы

рабочий

лопаток,

паровой

стакан,

внутренний

кол*цев^Гп

ребра

3 — внутренний

корпус-

— направляющая

шпонк!

татора

8 парвй й

тоакто^топГ%

патр

у6ок

/Я

Во внутреннюю часть ротора пар поступает через паровой

стакан 11

отверстия в средней части ротора. После охлаждения

ротора и рабочих лопаток пар в потоке выхлопного патрубка со-

единяется с потоком, охлаждающим элементы статора. Для вы-

вода пара из

турбины

предусмотрены два патрубка, располо-

женные на выхлопном патрубке турбины.

Охлаждение рабочих лопаток может осуществляться по двум

принципиальным схемам. При двухконтурном охлаждении

(рис. V.9, а) внутренняя полость лопаток заполнена натрием.

За счет термосифонного эффекта при вращении ротора обеспечи-

Рпс.

V 9.

Двухконтурпое

(а) и одноконтурное (б) охлаждение рабочих лопаток:

/ — натриевым теплообменник; 2 — подводной канал, 3 — направляющие поверхности

вается отвод теплоты от пера лопатки к специальному теплообмен-

нику /, который расположен под хвостовиком лопатки. Этот

теплообменник

имеет

оребренную поверхность (радиатор), омыва-

емую охлаждающим паром, за счет чего и осуществляется отвод

теплоты от лопатки к пару. Пар поступает к радиаторам из вну-

тренней полости ротора через канал 2 и затем последовательно

во все теплообменники охлаждаемых рядов. Для обеспечения

равномерного отвода теплоты с радиаторов предусмотрены напра-

вляющие поверхности 3.

При одноконтурном охлаждении (рис. V.9, б) охлаждение пера

лопатки осуществляется паром непосредственно за счет его про-

пуска через внутренний охлаждающий тракт, расположенный

в профиле. Возможны и другие конструктивные решения ротора

с одноконтурной схемой охлаждения. Выполненные расчеты

теплового состояния лопаток и дисков показали удовлетворитель-

ное тепловое состояние этих элементов. В обоих вариантах охла-

ждения рабочих лопаток оказалось возможным достигнуть глу-

бокого охлаждения профиля при средней температуре металла

пера лопатки даже первой ступени около

870—980

К-

Достигну-

178

тыи уровень температур элементов ротора и статора при паровом

охлаждении подтверждает возможность создания высокотемпе-

ратурной газовой турбины для газопаровой установки большой

мощности Другие элементы ГПУ не требуют применения при

их создании принципиально новых технических решений и могут

быть разработаны на базе отработанных и выпускаемых нашей

промышленностью агрегатов

Относительная простота тепловой схемы облегчила задачу

компоновки оборудования на электростанции [19] Принята

полуоткрытая компоновка, при которой парогенератор располо-

жен на открытом воздухе Двухпоточная конструкция газовой

турбины

позволила выполнить парогенератор в двух самостоятель-

ных секциях с горизонтальной компоновкой поверхностей на-

грева Камеры дожигания, расположенные перед поверхностями

нагрева, также вынесены из машинного зала

Пользуясь проработкой конструкции элементов ГПУ мощ-

ностью 300 МВт и выполненной компоновкой были определены

общие затраты на сооружение блока, которые оказались на 15 %

ниже затрат на сооружение блока К-300 Выполненные технико-

экономические расчеты определили следующие показатели [19]:

Мощность, МВт 300

Удельный расход топлива, г/(кВт ч) 260

Годовой расход топлива, тыс

тут

459,7

Удельные капиталовложения, руб /кВт 63,4

Общие капиталовложения, тыс руб 19 020

Ежегодные эксплуатационные расходы, тыс руб

стоимость годового расхода топлива 6 086

амортизационные отчисления 1 160

текущий ремонт 232

общестанционные расходы 417

Годовые расчетные затраты, тыс руб 10 272

Сравнение этих показателей с современной паросиловой уста-

новкой такой же мощности (блок К-300) свидетельствует о большом

экономическом эффекте от внедрения

ГПУ-300

Экономия годовых

расчетных затрат в этом случае превысит 2 млн руб Большая

доля экономии достигается за счет более высокого

кпд

уста-

новки Более низкими оказываются в ГПУ и удельные капиталь-

ные вложения

Таким образом, наиболее перспективный путь дальнейшего

существенного повышения термической эффективности и манев-

ренности электрогенерирующего оборудования — применение ком-

бинированных установок, использующих пар и газ в качестве

рабочих тел

Современное газотурбостроение должно обеспечить выпуск ГТУ,

рассчитанных для работы не только индивидуально, но и в составе

комбинированных схем Ориентация на освоение высоких началь-

ных температур газа определяет целесообразность развития специа-

лизированных комбинированных установок, использующих пар для

охлаждения элементов высокотемпературной газовой турбины

179

Глава

ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

КОМБИНИРОВАННЫЕ УСТАНОВКИ

С ГАЗОВЫМИ ТУРБИНАМИ

VI.

1. УСТАНОВКИ С ГАЗОВЫМИ ТУРБИНАМИ

В ПРОИЗВОДСТВЕ СЛАБОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

Промышленное производство азотной кислоты осуществляется

методом контактного окисления аммиака кислородом воздуха

(в присутствии катализатора) до окиси азота, а затем до высших

окислов азота с последующим их поглощением водой.

Сум!/_рная

химическая реакция указанного процесса, которая

может быть приближенно выражена уравнением

2О

HNO

О,+

421,2

кДж,

сопровождается выделением определенного количества теплоты,

т. е. является

экзотермической.

Стремление увеличить скорость окисления азота и образования

азотной кислоты и тем самым улучшить технико-экономические

показатели технологического оборудования обусловило целесо-

образность применения повышенного давления рабочих процессов.

Уровень давления, при котором протекают указанные процессы

конверсии и абсорбции, может устанавливаться как примерно

одинаковым, так и более низким для стадии конверсии.

В качестве примера технологической установки по производ-

ству азотной кислоты, работающей под повышенным (примерно

одинаковым) давлением, на рис. VI 1 показана схема с давлением

в начале процесса

—0,73

МПа [10]. Засасываемый из атмосферы

воздух с расходом 12,9 кг/с после

его

очистки и промывки сжи-

мается в первом (осевом) компрессоре до

~0,353

МПа, охла-

ждается водой в промежуточном воздухоохладителе и затем сжи-

мается вторым (центробежным) компрессором до давления

—0,73

МПа при температуре 403

К-

За компрессором поток сжа-

того воздуха разветвляется, при этом его основной расход посту-

пает в контактный (конверсионный) аппарат для окисления ам-

миака, а оставшаяся часть подается в камеру сгорания реактора

каталитической очистки и дополнительную камеру сгорания

перед турбиной.

Очищенный в фильтрах аммиак после его предварительного

подогрева паром в теплообменном аппарате и повторной очистки

в специальном (поролитовом) фильтре подается в контактный

аппарат, в котором, взаимодействуя с кислородом воздуха в при-

сутствии катализатора (многослойных сеток из платины или

платинородиевого сплава), образует нитрозный газ, в котором

объемные доли окиси азота составляют

9,5—11.0

% от общего

объема при температуре

1163—1173

К.

180

Теплота, выделяющаяся при окислении аммиака, исполь-

зуется в котле-утилизаторе для генерирования перегретого водя-

ного пара. Нитрозный газ после окисления охлаждается, проходя

последовательно через подогреватель воздуха и холодильник-

конденсатор, до

323—328

К,

а затем подается в нижнюю часть

абсорбционной колонны.

Поднимаясь снизу вверх навстречу стекающей азотной кислоте,

нитрозные газы обедняются окислами азота (объемная доля

Ш7,

Рис VI 1 Принципиальная схема производства разбавленной азотной кислоты

под давлением 0,73 МПа

/ — камера сгорания реактора, 2 — холодильник конденсатор, 3 — абсорбционная ко-

лонна, 4 —

контактный

аппарат, 5, II —

котел-утилнзатор,

6 —

окислитель

нптроэных

газов, 7 — подогреватель

воздуха,

S — подогреватель аммиака 9 — смеситель аммиака,

10 —

эюномайзер,

12 — центробежный нагнетатель,

— электрогенератор,

— ре-

дуктор,

— камера сгорания

турбины,

16—

газовая турбина, 17 —

промежуточный

воздухоохладитель,

— осевой компрессор, 19 — аппарат очистки

всздуха,

20 — реак-

тор каталитической очистки, / —

возд/х,

// —

природной

газ,

111

—

отлодящне

газы,

IV —

нитрочньШ

газ, V —

аммиачно

воздушная смесь,

— вода

VII

— выход в

атмосферу,

VIII

— пар

?«

0,1 % от общего объема) и подаются из верхней части ко-

лонны для последующей

очистки

до допустимой санитарными

кормами концентрации окислов азота. Эта очистка осуществляется

путем последовательного подогрева нитрозных (хвостовых) газов

сначала

jip

температуры

643—693

К в топке (камере) за счет сжи-

гания природного газа, а затем в реакторе каталитической очистки

за счет теплоты, выделяющейся в процессе химической реакции,

до температуры 973 К и выше.

Избыточная тепловая энергия нитрозных (хвостовых) газов,

вышедших из реактора, частично преобразовывается в газовой

турбине в механическую работу, используемую для привода

воздушных компрессоров низкого и высокого давлений Давление

нитрозного газа перед турбиной на расчетных режимах прибли-

181