№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.181.16+621.515
© 2008 г. ЯКИМОВИЧ К.А., ГЛАЗКОВ В.П., БЕЛОБОРОДОЕ С.С., БУТКО А.А., ЯКИМОВИЧ Ю.К.*
ГАЗОТУРБИННЫЕ МИНИ-ТЭЦ НА БАЗЕ МАЛОГАБАРИТНОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ПАРОВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА ДЛЯ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
Предложена конструкция газотурбинной мини-ТЭЦ на базе малогабаритного цилиндрического пароводогрейного котла с закруткой теплоносителя. Раскрыты эксплуатационно-технические преимущества и возможности установки в режиме коге-нерации тепла в электроэнергии.
В последние годы появилась новая категория энергетических установок - мини-ТЭЦ, их конструкции можно условно разделить на три группы - газопоршневые, газотурбинные и паротурбинные. Оборудование каждой из групп имеет те или иные достоинства применительно к интересам потребителя. Если выделить такие характеристики как компактность, маневренность, экономичность, надежность и экологичность, то у газотурбинных мини-ТЭЦ здесь весьма успешные позиции
Рассмотрим газотурбинную мини-ТЭЦ на базе малогабаритного цилиндрического пароводогрейного котла. Эта установка (рис. 1) состоит из следующих основных узлов
[1-4]:
- камера сгорания (КС);
- прямоточный малогабаритный цилиндрический пароводогрейный котел (МЦПВК) оригинальной конструкции, в которой за счет интенсификации процессов тепломассоб-мена путем закрутки потока и ряда других факторов достигается существенное снижение удельных массогабаритных характеристик. Котел может работать как в паровом, так и в водогрейном режимах;
- турбокомпрессор (ТК), турбина которого вставляется в разрез газовоздушного тракта МЦПВК и разделяет этот тракт на две части - часть высокого давления (ЧВД -от КС до газовой турбины) и часть низкого давления (ЧНД - после турбины);
- электрогенератор, вал которого сочленяется с валом ТК.
Турбина ТК, используемого для наддува камеры сгорания, может при соответствующем подборе ее характеристик развивать избыточную мощность, которая при подключении на вал ТК электрогенератора (газотурбоэлекторгенератора - ГТГ) обеспечит получение электроэнергии в случае работы котла и в водогрейном, и парогенерирующем режимах. Таким образом, если в парогенерирующем режиме пар МЦПВК направлять в паровую турбину и частично отдавать потребителю в виде тепла, то потребитель может получать электроэнергию от паротурбоэлектрогенератора (ПТГ), от ГТГ и еще тепло от пароводогрейного котла. В этом состоит сущность рассматриваемой газотурбинной мини-ТЭЦ на базе МЦПВК.
* Якимович К.А. - Институт высоких температур РАН; Глазков В.П. - ЗАО "Кросна-Мотор"; Бело-бородов С.С. - Корпорация "Газэнергопром"; Бутко А.А. - Корпорация "Газэнергопром"; Якимович Ю.К. - НПО "Теплоэнергомаш".
Рис. 2. Термодинамическая Т-Б диаграмма газотурбинной мини-ТЭЦ на базе МЦПВК
3
Т
5
На рис. 2 показана совмещенная условная Т-Б диаграмма газотурбинного (1-6) и паротурбинного (а-Ь-с-й-а) циклов такой установки при работе в теплогенерирующем режиме. Она имеет принципиальное отличие от Т-Б диаграммы традиционной газотурбинной установки, поскольку допустимая температура продуктов сгорания перед лопатками газовой турбины ТК достигается не увеличением коэффициента избытка воздуха до уровня а ~ 3^5, что приводит к снижению КПД установки, и не подачей воды в продукты сгорания перед турбиной, что требует дополнительных затрат, но за счет предварительного снятия тепла на участке ЧВД (участок 3-4, см. рис. 1, 2) на нагрев теплоносителя. Это позволяет более эффективно распорядиться высокой температурой продуктов сгорания на участке между камерой сгорания и турбиной и соблюсти одно из важных условий экономичной работы установки, - снижение до минимума значения а = = 1,1^1,3 и, соответственно, в несколько раз - теплопотери с уходящими газами.
Возможность получения электроэнергии как от ГТГ, так и от ПТГ позволяет создавать благоприятные условия энергоснабжения потребителя. В случаях затруднений со сбросом тепла в конденсаторе паротурбинного цикла (например, в летний период) сохраняется способность получать электроэнергию от ГТГ. Сниженные массогабаритные характеристики газотурбинной мини-ТЭЦ на базе МЦПВК позволяют создавать, в частности, транспортабельные энергетические установки, способные работать в экстремальных климатических и географических условиях.
Таким образом, рассмотренная схема газотурбинной мини-ТЭЦ на базе малогабаритного цилиндрического пароводогрейного котла и промышленного ТК оказывается:
- достаточно экономичной (достижение допустимой температуры газов перед турбиной путем предварительного отвода тепла к нагреваемой среде; развитая теплооб-менная поверхность на участке экономайзера ЧНД приводит к низкой температуре уходящих газов; снижение расхода электроэнергии на собственные нужды за счет исключения электропривода воздушного нагнетателя);
- высокоманевренной (во-первых, за счет малой тепловой инерции парового котла, имеющего относительно низкие массогабаритные характеристики, с быстрым выходом на рабочий режим и, во-вторых, из-за наличия двух способов генерации электроэнергии);
- имеющей эксплуатационную надежность (поскольку один из основных узлов установки - ТК - хорошо отработан отечественной и мировой промышленностью в применении, например, для наддува дизелей, имеет значительный ресурс и предназначен для работы в сложных эксплуатационных условиях).
Следует отметить широкий диапазон возможных режимов для нагреваемого теплоносителя - от водогрейного режима до производства перегретого пара.
Конструкция газотурбинной мини - ТЭЦ на базе МЦПВК удачно совмещает в одном модуле тепловое оборудование газотурбинного цикла и пароводогрейный котел, что существенно сокращает капитальные затраты на основное оборудование энергоустановки. Кроме этого, из-за снижения массогабаритных характеристик основного оборудования значительно сокращаются затраты на строительно-монтажные работы. Такую газотурбинную мини-ТЭЦ можно изготовить и в удобном транспортабельном контейнерном исполнении, поскольку, например, изготовленный промышленный образец, включающий КС, ТК и теплообменник МЦПВК тепловой мощностью 2,5 МВт, имеет массу 2000 кг и габариты 4,5 х 2,0 х 1,5 м.
Рассмотренный класс газотурбинных энергетических установок на базе МЦПВК с ТК отличает ряд эксплуатационно-технических преимуществ над производимыми в настоящее время отечественной и зарубежной промышленностями паровыми и водогрейными котлами, в частности:
- уменьшение в 10-15 раз объема котла при равной тепловой мощности, что приводит к снижению объема строительно-монтажных работ и сокращает требуемую высоту здания котельной на 40-50% и площадь застройки - на 15%;
- сокращение в четыре-пять раз массы котла в расчете на единицу тепловой мощности, т.е. снижение металлоемкости конструкции;
- быстрый запуск установки (<3 мин), что обеспечивает хорошие условия маневренности и др.
Компактности МЦПВК способствует и то, что на участке ЧВД газовоздушного тракта МЦПВК продукты сгорания имеют повышенное давление (0,25-0,28 МПа).
Единичная тепловая мощность газотурбинной мини-ТЭЦ на базе МЦПВК оптимальна в интервале 0,5-5,0 МВт, топливо - природный или попутный газ, дизтопливо и другие виды "благородного" топлива.
Наличие турбокомпрессора с электрогенератором в составе МЦПВК обуславливает потенциальные возможности обеспечения потребителя не только теплом, но и электроэнергией.
При строительстве стационарных котельных с МЦПВК сокращаются капитальные и эксплуатационные затраты, а также сроки ввода котельной в эксплуатацию. Возможность изготовления котельной в контейнерном исполнении избавляет от необходимости строительства здания, упрощает проблему транспортировки котельной к месту назначения, практически исключает затрату времени для подготовки установки к эксплуатации на месте.
Указанные свойства и характеристики газотурбинных мини-ТЭЦ на базе МЦПВК определяют области их применения в практике. К ним можно отнести:
- местные котельные при децентрализованном энергоснабжении в жилищно-коммунальном хозяйстве и на производстве, в т.ч. и для так называемых "крышных котельных";
- автономные мобильные установки для энергоснабжения объектов первой категории (больницы, родильные дома, детские сады, спецобъекты и т.п.) при аварии городских сетей в зимний период, при чрезвычайных ситуациях в труднодоступных районах;
- передвижные энергетические установки, используемые при плановом комплексном строительстве для ввода в эксплуатацию отдельных готовых объектов до завершения строительства центрального теплового узла;
- энергоисточник для фермерских хозяйств и отдельных поселков, особенно для районов дальнего Севера, горной местности и отдаленных регионов;
- транспортные (например, судовые) энергетические установки;
- мобильные парогенераторные установки для прогрева оборудования и паротепло-вого воздействия на нефтяные пласты в нефтегазовом комплексе.
Газотурбинные мини-ТЭЦ на базе МЦПВК оказываются пригодными во всех тех случаях, когда вопросы минимизации массы и габаритов установки, мобильности и автономности, экономичности и другие признаки, присущие этому типу установок, являются принципиально важными.
Газотурбинная установка с МЦПВК в зависимости от поставленной задачи может реализовать достаточно гибкий график нагрузки - от только тепловой нагрузки до газотурбинной электростанции в классическом варианте. Задача решается подбором характеристик ТК. В варианте только тепловой нагрузки устанавливается ТК с характеристиками, при которых развиваемая турбиной мощность практически целиком затрачивается на привод компрессора.
В случае электростанции турбина ТК развивает мощность, достаточную для привода компрессора, и имеется еще значительный избыток мощности, затрачиваемый на привод сопряженного с валом ТК электрогенератора. При сохранении общей тепловой мощности КС установки снижается предельная температура продуктов сгорания в точке 3 (рис. 2) за счет увеличения производительности компрессора ТК и увеличения коэффициента избытка воздуха а.
При комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) эффективность работы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.