Буров В.Д. и др. Тепловые электрические станции

Подождите немного. Документ загружается.

15.6.

Парогазовые и газотурбинные ТЭЦ

Байпасная

труба

Дымовая

труба

КВОУ

Регулирующий

Байпас

топки

шибер котла

Ремонтный

шибер

Рис. 15.20.

Технологическая схема

ПГУ

«сбросного» типа

Тюменской

ТЭЦ-1,

работающей

на

природном

газе:

ВЭк —

водяной

экономайзер;

ГВП ВД и ГВП НД —

газоводяные

подогреватели

высокого

низкого

давлений

на пылеугольных энергоблоках. Сжигание природного газа гораздо эффективнее

в ГТУ ПГУ с котлом-утилизатором.

Воздухоподогреватель ПК в схеме ПГУ заменяют газоводяными теплообменни-

ками, в которых нагревается часть питательной воды и основного конденсата ПТУ.

Процесс сжигания топлива в ПК происходит при пониженных температурах газов

в ядре сжигания, а количество газов после ГТУ необходимо перераспределять, чтобы

обеспечить нужный объем окислителя. В зависимости от характеристик выхлопных

газов ГТУ корректируют их температуру и содержание 0

. С этой целью в газовый

тракт добавляют некоторое количество (до 30 %) холодного воздуха.

Указанные требования заставляют включать в технологическую схему байпас-

ный газоход для сброса части газов ГТУ в конвективную шахту ПК.

Применение ПГУ «сбросного» типа существенно изменяет характер топочных

процессов ПК, что требует его перепрофилирования. Энергетические ГТУ должны

размещаться в непосредственной близости от ПК для сокращения длины газохо-

дов.

На газоходах приходится устанавливать регулирующие шиберы большого

диаметра, работающие в автоматическом режиме в условиях высоких температур,

что усложняет и удорожает схему ПГУ. Ее экономичность близка к экономичности

401

Глава

15.

ГАЗОТУРБИННЫЕ

ПАРОГАЗОВЫЕ

ТЭС

ПГУ с параллельной схемой работы, но у последней значительно проще техноло-

гический процесс.

При переходе к использованию в схемах ПГУ энергетических ГТУ высокой эко-

номичности с повышенными начальными параметрами газов ПГУ с параллельной

схемой работы повышает свою экономичность. В ПГУ «сбросного» типа это при-

водит к ряду усложнений: уменьшается содержание окислителя в выхлопных газах

ГТУ, увеличивается их температура.

ПГУ с впрыском пара в КС ГТУ. Парогазовые установки с впрыском пара в

камеры сгорания ГТУ (ПГУ ВП) рассчитаны на совместное использование в энер-

гетической ГТУ газов и пароводяного рабочего тела, которые в виде парогазовой

смеси расширяются в газовой турбине установки. Ввод в ГТУ дополнительного

рабочего тела — пара превращает энергетическую ГТУ в парогазовую установку.

Пароводяное рабочее тело сжимается при относительно малой работе сжатия.

Избыток воздуха снижается, и уменьшается работа сжатия в компрессоре ГТУ.

Существует ряд вариантов тепловых схем ПГУ ВП. Они могут быть выполнены

с открытой схемой при отводе парогазовой смеси в атмосферу и потере водяного

пара, а также с конденсацией выходящих водяных паров в конденсационном устрой-

стве.

Парогазовые установки с впрыском пара с открытой схемой являются установ-

ками, вырабатывающими только электроэнергию. Установки с конденсацией водя-

ных паров и возвратом в цикл конденсата пара дополнительно отпускают теплоту

охлаждаемых уходящих газов.

На рис. 15.21 приведены тепловая схема и термодинамический цикл ПГУ с откры-

той схемой в Т, 5-диаграмме. Основными элементами являются энергетическая

ГТУ и котел-утилизатор, в котором из питательной воды после химводоочистки

генерируется перегретый пар, вводимый затем в камеры сгорания ГТУ. Давление

впрыскиваемого пара, как и давление сжатого воздуха, несколько выше давления

парогазовой смеси перед ГТ. Воздух и пар нагреваются в КС при сжигании топлива

до начальной температуры газов Т

7Л-

= Г

3см

. Выхлопные газы ГТ охлаждаются

а)

Рис. 15.21.

Тепловая

схема

ПГУ

контактного

типа

открытой

схемой

(а) и

термодинамический

цикл

Брайтона—Ренкина

установки

(не в

масштабе)

в Т,

.^-диаграмме

(б):

—

массовый

расход

соответственно

газов,

воздуха

пара,

кг/с; d

—

относительный

расход

пара,

кг/кг

402

15.6.

Парогазовые и газотурбинные ТЭЦ

в области поверхностей нагрева

КУ от

температуры Г

4см

до

5см

направляются

в дымовую трубу. Процесс утилизации теплоты этих газов ограничивается мини-

мальным значением температуры

5см

Эта

температура влияет

на

характеристики

системы двояким образом:

при

низких температурах образуется конденсат, вызываю-

щий коррозию,

выхлопная струя газов

повышенной температурой порождает про-

блему ухудшения видимости, когда выходящие

из

трубы газы смешиваются

более

холодным наружным воздухом. Поэтому обычно принимают Г

5см

125+135

°С.

Парогазовые установки

впрыском пара

открытой схемой применяются фир-

мой «Дженерал Электрик»

(США) для

некоторых типов энергетических

ГТУ. Они

известны

под

названием STIG (STeam Injection

Gas

turbine).

Ранее было показано,

что

многоступенчатая

ГТ при

работе

компрессором дей-

ствует

как

сопло критического истечения

и при

эксплуатации осевого компрессора

значение

определяется пропускной способностью

ГТ.

Увеличение расхода парога-

зовой смеси через

ГТ

из-за добавочной доли впрыскиваемого пара

кг/кг, приводит

повышению сопротивления

на

выходе

из

компрессора,

т.е. к

уве-

личению степени сжатия

Повышение мощности

ГТ

из-за дополнительного

впрыска пара компенсирует увеличенную работу сжатия.

Увеличение расхода газов через

ГТ при

впрыске пара

0,1+0,3 кг/кг) пере-

водит режимную точку установки ближе

границе помпажа, поэтому значение

стараются поддерживать постоянным, увеличивая проходное сечение проточной

части

ГТ или

снижая объемный расход воздуха через компрессор

помощью

его

направляющих аппаратов.

Тепловую схему

ПГУ ВП

совершенствуют, применяя предвключенную паровую

турбину, работающую

на

впрыскиваемом паре,

конденсатор контактного типа

для возврата водяных паров

цикл.

Глава 16

НОВЫЕ

ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

ТЕПЛОТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

16.1.

Основные положения

История развития человечества неразрывно связана с использованием энергети-

ческих ресурсов. Практически единственным их источником является ядерная

энергия, которую Земля получает в виде солнечного излучения от своеобразного

реактора — Солнца, находящегося на безопасном для всего живого расстоянии.

Эта энергия создала огромные запасы органического топлива, перемещает боль-

шие объемы воды и воздуха на нашей планете, обеспечивает жизненные потребно-

сти людей и всех живых организмов.

Во «внутренней топке» Солнца в результате сложного процесса ядерного синте-

за атомы водорода, соединяясь, образуют атомы гелия. При этом 1 кг водорода

обеспечивает выделение 2,5 • 10

кДж теплоты. При этом Солнце ежедневно теряет

более 300* 10

т своей массы, осуществляя гигантское излучение в окружающее

пространство. К счастью, запас водорода на Солнце достаточно велик, так как мас-

са его превышает 2,0

т. Не вся эта энергия достигает Земли, часть ее рассеивается

в космическом пространстве. Ежегодно к нашей планете поступает солнечная энер-

гия,

эквивалентная 2,5 • 10

Дж. Эту величину иногда называют солнечной едини-

цей.

Солнечное воздействие трансформируется в тепловую энергию поверхности

земли, энергию волн, ветра, химическую и биологическую энергии. После всех

преобразований часть этой энергии выделяется обратно в космическое пространст-

во преимущественно в виде низкотемпературного инфракрасного излучения.

В настоящее время более 90 % всех энергетических ресурсов, потребляемых

человечеством, приходится на долю органического топлива, т.е. на отложенные

запасы солнечной энергии. К другим существующим ресурсам можно отнести

ядерное топливо, гео- и гидротермальную энергию недр и океана, приливную энер-

гию,

гидроресурсы суши, биомассу, что в большинстве случаев также результат

солнечной активности.

Традиционными энергетическими ресурсами считают органическое топливо,

гидроресурсы суши, ядерное топливо, а альтернативными — солнечное излуче-

ние,

энергию ветра, геотермальную энергию, энергию приливов и волн, биомассу.

Термин «альтернативные источники энергии» (АИЭ) более корректен по сравне-

нию с понятием «возобновляемые источники энергии», так как последнее противо-

речит, на наш взгляд, закону сохранения энергии. Большинство АИЭ получены при

поступлении на Землю солнечной энергии —• результат ядерных процессов

на Солнце, вследствие чего постепенно уменьшается его масса. По закону Эйн-

штейна Е = тс

частицы вещества и излучение — взаимно превращаемые, поэтому

способны к взаимным превращениям при взаимодействии с другими формами

энергии. Даже едва уловимая разница масс знаменует возможность выделения

404

16.1.

Основные

положения

огромного количества энергии. Атомы водорода и гелия имеют относительные

массы 1,008 и 4,004 соответственно, т.е. слияние четырех ядер водорода в одно

ядро гелия изменит массу с 4,032 до 4,004 (всего на 0,7 %). Это, однако, связано

с выделением (преимущественно с излучением) гигантской энергии:

0,028-(3-10

)

= 25-10

Дж.

Сравним это количество энергии с энергией, равной 6

•

Дж, выделяющейся

при соединении того же количества водорода с кислородом при химическом взрыве.

На сегодняшний день известны запасы около 150

•

т нефти, 150

•

природного газа, 1 • 10

т каменных и бурых углей. Использование всех этих запа-

сов для получения энергии эквивалентно 1 • 10

т условного топлива и составляет

1/60 доли солнечной единицы. Следует отметить, что запасы органического топлива

постоянно корректируются в сторону увеличения — в первом приближении на поря-

док. Запасы растительной биомассы в сухом виде, по данным различных источни-

ков,

составляют до 2

•

т, что приближается к энергетическому потенциалу

известных запасов нефти, природного газа и угля вместе взятых.

Производство электроэнергии на атомных электростанциях базируется в основ-

ном на урановом топливе, а в перспективе — на дейтерии. Запасы урана в зависи-

мости от себестоимости добычи и с учетом выделяемой энергии при расщеплении

ядер указывают на суммарный урановый эквивалент энергии, не превышающий

•

Дж, т.е. равный примерно 30 солнечным единицам. Запасы дейтерия в миро-

вом океане позволяют при термоядерном синтезе гелия из дейтерия получить

огромное количество энергии на уровне 1 млн солнечных единиц.

Существует определяемый учеными некий безопасный предел наращивания

энергопроизводства, составляющий 600—700 ТВт

•

ч и называемый солнечным пре-

делом. Его превышение приведет к термальному загрязнению поверхности Земли,

увеличению ее средней температуры, катастрофическому влиянию на климат. Рост

численности населения Земли, годовой добычи энергоресурсов, производства

энергии может даже при чистых технологиях привести к достижению солнечного

предела. Поэтому ученые предупреждают человечество — жить по возможностям!

По данным Международного энергетического агентства, производство электро-

энергии с использованием АИЭ достигает 2 % общего ее производства, но к 2020 г.

оно будет составлять 15%, а к 2060 г. — боле 30%. Наибольшие достижения

в этом у США (рост к 2020 г. с 1 до 22 %), Дании (с 10 до 20 %), Нидерландов

(с 3 до 10 %), Германии (с 6 до 12 %).

Использование АИЭ в России крайне актуально при решении задач сохранения

традиционных запасов органического топлива и защиты окружающей среды. Эко-

номически эффективный потенциал АИЭ в РФ составляет до 25 % внутреннего

энергопотребления, а значительными ресурсами таких источников располагают

большинство регионов страны. Общий вклад АИЭ в энергобаланс страны пока

невелик и достигает 0,1 %.

Причины такого низкого «участия» АИЭ в российской энергетике кроются

в ориентации во второй половине XX в. на строительство крупных ТЭС, ГЭС

и АЭС, в резком снижении финансирования энергетики в последние десятилетия и др.

405

Глава 16.

НОВЫЕ

ТЕХНОЛОГИИ

ПРОИЗВОДСТВА

ТЕПЛОТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ЭНЕРГИИ

16.2.

Геотермальная

энергетика

Запасы тепловой энергии в недрах Земли огромны, однако геотермальная теп-

лота имеет в основном низкий температурный потенциал и булыпая ее часть при-

годна только для теплоснабжения.

Парогидротермальные месторождения в России имеются только на Камчатке и

Курильских островах. Это ограничивает в перспективе развитие геотермальной

электроэнергетики. По прогнозу экспертов, к 2005 г. в мире 1 % вновь вводимых

энергетических мощностей придется на геотермальные электростанции. Эксплуата-

ционные расходы на этих ТЭС вдвое ниже, чем на паросиловых и дизельных элек-

тростанциях. Они могут радикально и на более экономичной основе решить проблему

энергообеспечения районов, которые пользуются дорогим привозным органическим

топливом и находятся в состоянии перманентного энергетического кризиса.

Крупные ГеоТЭС работают в Индонезии, Мексике, Турции, Новой Зеландии,

Италии, США и др. Установленная мощность ГеоТЭС в мире за последние 30 лет

росла ежегодно в среднем на 9 % и достигла, например, в США 2500 МВт. В настоя-

щее время в мире строятся ГеоТЭС общей мощностью более 2000 МВт и планиру-

ется строительство их общей мощностью 12 000 МВт. Геотермальная электростанция

мощностью 1 МВт позволяет сэкономить до 3000 т условного топлива в год.

•В РФ разведаны 47 геотермальных месторождений с запасами более 105 • 10

т/сут

парогидротерм для энергетики и свыше 240

•

/сут термальных вод для других

целей. Область использования последних широка: промышленность (производство

бумаги, деревообработка, текстильное производство, нефтехимия, строительное

и металлургическое производство), сельское хозяйство (разведение рыб, теплицы),

теплофикация (тепловые насосы, местное теплоснабжение, аэрокондиционирование,

обогрев тротуаров и др.), бальнеология (грязелечебницы, плавательные бассейны).

Суровые климатические условия Камчатки обусловили профиль первой ГеоТЭС

мощностью 12 МВт, пущенной в эксплуатацию в 1999 г. Она выполнена блочно-

модульной при полной заводской готовности. Ее тепловая схема (рис. 16.1) обеспе-

чивает экологически чистое (без контакта с окружающей средой) использование

геотермального теплоносителя. Для этой цели применены воздушные конденсато-

ры и система закачки отработавшего конденсата в скважины.

Двухфазный поток парогидротерма из скважин добычи 17 проходит двухсту-

пенчатую сепарацию (конечная степень влажности пара не выше 0,05 %) и в виде

сухого насыщенного пара с параметрами р = 0,8 МПа и Т = 170 °С подводится

к паровым турбинам трех энергоблоков мощностью по 4 МВт. Важной особен-

ностью геотермальных скважин являются существенные различия их произво-

дительности (до 10 раз) и паросодержания (от 30 до 100%). Они дополнительно

подвержены временным циклическим изменениям.

Для повышения эффективности установки горячий сепарат после сепараторов 7

направляется к расширителю 8, работающему при давлении 0,4 МПа. Пар, выходя-

щий из расширителя, используется в эжекторах для удаления из конденсата некон-

денсирующихся газов (в основном сероводорода). Эти газы растворяются в абсор-

бере 12 в отработанном геотермальном теплоносителе, который затем закачивается

в скважины закачки 19.

406

16.2.

Геотермальная

энергетика

1 2

Рис. 16.1. Принципиальная тепловая схема энергоблока геотермальной электростанции:

/ — турбина; 2 — генератор; 3 — воздушно-конденсационная установка; 4 — конденсатосборник;

5 — бак охлаждающей воды; 6 — насосы; 7 — сепаратор; 8 — расширитель; 9 — станционный шу-

моглушитель; 10 — маслоохладитель; 11 — воздухоохладитель; 12 — абсорбер; 13 — дроссельно-ув-

лажнительная установка; 14 — эжекторная установка; 15 — водокольцевой компрессор; 16 —

выхлопная труба; 17 — скважина добычи; 18 — скважина закачки сепарата; 19 — скважина закачки

конденсата

На высоте 6 м над уровнем платформы турбогенераторов расположены шесть

секций воздушных конденсаторов с электровентиляторами. Поверхности нагрева

их выполнены из оцинкованных трубок, оребренных алюминиевой лентой. Вакуум

в конденсаторах составляет р

я 4,5 кПа.

Паровые турбины рассматриваемой ГеоТЭС имеют ряд специфических отли-

чий: регулирование расхода подаваемого пара осуществляется вращательной

заслонкой типа «баттерфляй», выхлоп пара из турбины в конденсатор происходит

вертикально вверх. Все десять ступеней паровых турбин имеют развитую систему

сепарации влаги.

Дальнейшее развитие технологии производства электроэнергии на ГеоТЭС в РФ

основано на способе ее выработки из горячей воды с температурой 80—170 °С.

К первой Верхне-Мутновской геотермальной электростанции мощностью 12 МВт

пристраивается четвертый энергоблок с бинарным циклом мощностью 6,5 МВт

(рис.

16.2).

Избыток двухфазного геотермального теплоносителя из существующих сква-

жин трех работающих энергоблоков ГеоТЭС, а также сбросной теплоноситель ути-

лизируются в четвертом энергоблоке с бинарным циклом, имеющим два контура.

В первом из них на отсепарированном избыточном паре работает паровая турбина

с противодавлением мощностью 2,5 МВт. После турбины пар при давлении 0,11 МПа

конденсируется на трубках конденсатора-испарителя. Второй бинарный контур

установки имеет мощность 4 МВт. Рабочее тело в этом контуре (органическое

вещество изобутан) имеет низкую температуру замерзания, что обеспечивает

407

Глава

16.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

ТЕПЛОТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

А 8

Но

нэ

Рис. 16.2. Принципиальная тепловая схема ГеоТЭС с бинарным циклом мощностью 6,5 МВт

для Верхне-Мутновской ГеоТЭС:

А — первый (паровой) контур; Б — второй контур (на изобутане); / — производительная скважина;

2 — сепаратор; 3 — паровая турбина; 4 — теплообменник; 5 — насос закачки; 6 — скважина закачки;

— перегреватель; 8 — турбина, работающая на изобутане; 9 — воздушный конденсатор; 10 — кон-

денсатосборник; 11 — насос

устойчивую работу технологической схемы ГеоТЭС в зимний период, предотвра-

щая замерзание рабочего тела при аварийных и непредвиденных остановах.

Верхне-Мутновская ГеоТЭС послужила базой для строительства первой оче-

реди (два энергоблока по 25 МВт) и планирования второй (60 МВт) и третьей (до

100 МВт) очередей Мутновской ГеоТЭС. Таким образом, общая мощность Мутнов-

ского геотермального энергетического комплекса на Камчатке превысит 200 МВт.

Цикл Ренкина геотермальной электростанции имеет свои особенности, в част-

ности, связанные с вогнутостью пограничной кривой (рис. 16.3, б). Поэтому КПД

системы, использующей сухой насыщенный пар, не возрастает по мере увеличения

его перегрева на входе в турбину.

На тепловые потоки в испарителе и конденсаторе влияет температура наружно-

го воздуха, они являются определяющими для суммарной эффективности системы

и в значительной мере зависят от параметров процесса и прежде всего от темпера-

туры насыщения в испарителе (рис. 16.3, в). Температура возвращаемого рассола

рвых

и температура испарения Г

ни

в технической схеме ГеоТЭС связаны между

собой выражением

р.ъых

н.и +

h-~^h~

(^р.вх-^н.и-^иНТг-^н.и)'

(16.1)

где 9

= 5+20 °С — недогрев рабочей среды на выходе из испарителя; с

— удель-

ная теплоемкость рассола, кДж/(кг

•

К); /г

и /г

— энтальпии пара на линиях насы-

щения, кДж/кг.

408

16.2.

Геотермальная

энергетика

нм

r п

гу

;

^SiPfcco,

Рабочее

тело ^"^^ _

н.

^^"^^

—4

р.вых

^под

1 1

в)

Рис.

16.3. Простейшая технологическая схема ГеоТЭС (а), термодинамический цикл Ренкина в

Т, s-диаграмме (б), температуры и тепловые потоки в подогревателе и испарителе системы (в):

а. 1 — подающая рассол скважина; 2 — испаритель; 3 — трубопровод сухого насыщенного пара;

4 — паровая турбина; 5 — электрогенератор; 6 — конденсатор; 7 — система отвода теплоты в окру-

жающую среду; 5 — насос технической воды; 9 — питательный насос; 10 — подогреватель конден-

сата; 11 — нагнетательная скважина использованного рассола; б: 1—2 — сжатие в питательном на-

сосе;

2—3 — подогрев рабочего тела в подогревателе; 3—4 — процесс испарения; 4—5 — работа па-

ра в паровой турбине; 5—/ — охлаждение и конденсация в конденсаторе

При

постоянной температуре рассола на входе Т

р вх

более высокая температура

возвращаемого

рассола может быть достигнута путем увеличения температуры

испарения

ни

, что одновременно снижает массовый расход рабочего тела (пара,

конденсата).

Максимальная

мощность рассматриваемой ГеоТЭС

^ГеоТЭС

= (

кон

н.и)

р(

р.вх ~ ^р.вых)

)

где

— массовый расход рассола, кг/с.

409

Глава

16.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

ТЕПЛОТЫ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Рис. 16.4.

Схема

геотермального теплоснабжения

г.

Усть-Лабинска:

1 и 2 —

эксплуатационная

нагнетательная

скважины;

3 —

геотермальный центральный тепловой

пункт;

4 —

пиковая

котельная;

5 —

тепловой пункт

Исследования, проведенные специалистами, показали, что, например, повыше-

ние температуры рассола АГ

р вх

= 25 °С (за счет более глубокого бурения скважины 1)

приводит к большему эффекту, чем уменьшение температуры конденсации с 40 до

20 °С (путем перехода от воздушного охлаждения к поверхностным конденсато-

рам, работающим на технической воде).

Другое направление использования геотермальной энергии — геотермальное

теплоснабжение. Оно применяется в Краснодарском крае, на Камчатке, в Дагеста-

не и других регионах для обогрева теплиц, отопления и горячего водоснабжения

в жилищно-коммунальном секторе, при этом экономится более 400

•

т условного

топлива. Предстоят обеспечение геотермальной энергией на базе Казьминского

месторождения сельскохозяйственного комплекса в Ставропольском крае и геотер-

мальное теплоснабжение г. Усть-Лабинска в Краснодарском крае. Последнее осу-

ществляется с помощью семи эксплуатационных и семи нагнетательных скважин

для обратной закачки в земные пласты охлажденного теплоносителя. Теплоснабже-

ние выполнено двухконтурным с пиковой котельной (рис. 16.4) и рассчитано

на экономию около 18 тыс. т условного топлива в год.

Создание геотермальных систем теплоснабжения позволяет уменьшить число

котельных, работающих на органическом топливе, снизить вредные выбросы

в атмосферу.

16.3.

Ветроэнергетика

Ветер — самый изменчивый источник энергии среди всех других видов АИЭ,

но в то же время мировой лидер по масштабам применения для получения электро-

энергии. Это объясняется повсеместной распространенностью воздушных потоков,

достижениями в мировой ветроэнергетике в последние десятилетия.

В России издавна использовалась энергия ветра. Не надо забывать, что до

1917 г. на просторах страны более 250 тыс. ветряных мельниц ежегодно перераба-

тывали в муку свыше 2 млрд пудов зерна. Сегодня во многих странах на берегу

410