ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

Киселёв Б.Ю.¹, Шепелев А.О.¹, Лысенко В.С.¹, Киселёв Г.Ю.², Бубенчиков А.А.³

¹Магистрант, ²Студент, ³Кандидат технических наук, Омский государственный технический университет

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

Аннотация

В данной статье рассмотрены принцип действия парогазовой установки, ее плюсы и минусы по сравнению с паротурбинными и газотурбинными установками. Рассмотрена конструкция более совершенной трёхконтурной (тринарной) парогазовой установки. Так же проведён анализ литературы, кратко описаны достижения в этой области. Рассмотрены перспективы использования парогазовых установок на тепловых и атомных электростанциях России. Так же рассмотрены перспективы применения парогазовых установок с использованием возобновляемых источников энергии (биотопливе).

Ключевые слова: парогазовая установка, биотопливо, электроэнергетика.

KisselyovB.Yu¹, ShepelevA.O.¹, LysenkoV.S.¹, Kisselyov G.Yu², Bubenchikov A.A.³

¹Undergraduate student, ²Student, ³PhD in Technical Sciences, Omsk State Technical University

ENERGY EFFICIENCY COMBINED-CYCLE PLANTS

Abstract

This article describes the principle of operation of combined-cycle plant, its advantages and disadvantages compared to the steam turbine and gas turbine. The design of a more perfect trinar combined-cycle plant. Also carried out the analysis of literature, summarized achievements in this field. The prospects of the use of combined-cycle plants in the thermal and nuclear power plants in Russia. As the prospects for the use of combined cycle power plants using renewable energy sources (biofuels).

Keywords: combined cycle plant, biofuels, electricity.

В промышленности электричество получают путём преобразования тепловой энергии в механическую, а затем уже в электрическую энергию. Преобразование тепла в электричество с большим значением КПД без промежуточного преобразования его в механическую работу являлось бы большим шагом на пути вперёд. Исчезла бы необходимость в тепловых электростанция, и как следствие применение тепловых двигателей, КПД которых обладает очень малым значением, и так же требуют за собой тщательного ухода. В нынешнее время техника не может создать установки, преобразующие тепло в электрическую энергию на прямую. В данный момент все подобные установки имеют, либо очень низкую мощность, либо малое время работы, либо низкий КПД, либо зависят от временных факторов (погодных условий, времени суток и.т.д.). Так или иначе они не могут обеспечивать надёжное электроснабжение страны. Поэтому без тепловых двигателей на тепловых электростанциях не обойтись [1].

В нашей стране электроэнергия в основном генерируется на тепловых электростанциях (ТЭС) при этом используется органическое топливо: уголь или природный газ. В нынешнее время природный газ, который сжигается на ТЭС, составляет примерно около 70 % от общей доли добываемого в стране. Однако, КПД паротурбинных установок, сжигающих газ, не достигает даже 40 % [2].

Согласно Энергетической стратегии России [3] в электроэнергетике России в период до 2020 г. планируется внедрить в эксплуатацию значительное количество современных парогазовых установок (ПГУ). ПГУ являются перспективным направлением в энергетике из-за относительно высокого КПД по сравнению с паротурбинными установками. КПД парогазовых установок да данный момент уже достигают 60%.

Устройство и принцип действия простейшей ПГУ.

ПГУ в своей конструкции два блока, отдельных друг от друга: газотурбинный и паросиловой. В газотурбинной установке турбину во вращение приводит газ, образующийся при сжигании топлива, далее он совершает механическую работу. На валу с турбиной располагается генератор, который благодаря вращательному движению ротора генерирует электрическую энергию. После прохождения турбины газ имеет давление, значение которого близко к наружному, что не даёт ему совершить работу. Однако его температура еще довольно высока и составляет порядка 500-600 C. Затем продукты сгорания отправляются в паросиловую установку, котел-утилизатор, где нагревают воду и образующийся пар, еще довольно высокая температура газа даёт возможность получить пар, давление которого достигает 100 атмосфер, что позволяет успешно применять полученный пар в паровой турбине. А паровая турбина в свою очередь приводит во вращение второй генератор (Рис. 1) [4].

Рис. 1 - Парогазовая установка

Преимущества:

– Очень высокий КПД достигающий 60% по сравнению с паросиловыми установками 33-45 % и газотурбинными установками 28-42%.

– Низкая себестоимость единицы мощности.

– Меньшее потребление воды на единицу генерируемой мощности по сравнению с паротурбинной установкой (ПТУ).

– Сроки возведения составляют всего 9-12 месяцев.

– Нет надобности подвозить топливо железнодорожным либо морским транспортом (При работе данной установки на газе или жидком топливе)

– Небольшие массогабаритные размеры, что позволяет располагать их прямо у потребителя. Тем самым уменьшая затраты на ЛЭП и доставку электрической энергии.

– Более экологична чем ПТУ

Недостатки:

–Необходимо производить фильтрацию воздуха, который используется в камерах сгорания топлива.

– Ограничения на типы используемого топлива.

– Сезонные ограничения мощности. Наибольшая эффективность в период зимы.

В нынешнее время публикуется множество статей посвященных данной тематике. Разрабатываются и совершенствуются ПГУ, повышаются КПД, номинальные мощности ит.д. В последнее время в самых высокоэффективных ПГУ используются трехконтурные ПТУ с использованием водяного пара с довольно усложненной схемой (Рис. 2). Под трёхконтурной (тринарной) ПГУ подразумевается утилизационная парогазовая установка, в которой комбинированы три цикла: газотурбинный цикл и два паротурбинных цикла: верхний – паротурбинный цикл основанный на воде и водяном паре, и нижний цикл турбоустановки основанный на низкокипящем веществе НКВ [2]. Высокие показатели КПД существующих ПГУ можно достичь в основном при помощи повышения начальных температур газа перед входом пара в газовые турбины до 1300–1500°C, с перспективой создания газовых турбин, работающих при начальных температурах газа, равных 1600°C. При столь высоких температурах КПД ГТУ составляет всего 39–41%, а высокий КПД ПГУ (58–61%) определяется глубиной утилизации теплоты газов, покидающих газовую турбину, в паротурбинном цикле с начальной температурой пара на уровне 540–560°C.Одним из важных компонентов определяющий КПД ПГУ является котел-утилизатор. Котлы утилизаторы бывают двух типов с горизонтальной и вертикальной компоновкой поверхностей нагрева. Согласно работе [5] наилучшим является котел-утилизатор вертикального типа. Так как это позволяет уменьшить потери мощности ГТУ, а, следовательно, повысить КПД всего цикла ПГУ, так же снижается металлоёмкость котла вследствие более высоких значений коэффициентов теплопередачи.

В работе [6] представлена принципиально новая тепловая схема парогазовых установок с применением регенеративного подогрева питательной воды в утилизационном паротурбинном цикле, что позволяет увеличить КПД парогазовых установок на 5 %.В работе [7] предлагается использовать паровое охлаждение лопаток газовой турбины, что позволяет увеличить КПД ПГУ на 1,7-2,1%.

Рис. 2 - Упрощенная схема ПГУ тринарного типа

Возможно, что в дальнейшем ПГУ также будут применяться и на АЭС. Перспективам применения данных установок на АЭС посвящены работы [8,9].

Большое внимание направлено на возобновляемые источникам энергии. Одним из наиболее перспективных возобновляемых источников энергии является растительная биомасса (древесина и отходы ее переработки, торф, сельскохозяйственные отходы растительного происхождения). Каждый год в России заготавливается около 150 млн. м³ древесины, одновременно при ее заготовке и переработке образуется более 30 млн. м³ отходов, использование которых даст возможность снизить потребность в жидком топливе. Торф так же является одним из перспективных типов топлива в нашей стране. Развитие и внедрение ПГУ на биотопливе в основном направлено на создание установок значительно малой мощности, что в свою очередь позволит обеспечить децентрализованных потребителей высокоэффективными автономными энергетическими установками. Работы, посвященные ПГУ на биотопливе [10,11].

В настоящее время существует огромное количество различных типов, применяемых ГТУ, а также схем применяемой паротурбинной части ПГУ. Установки можно классифицировать по числу газотурбинных установок (ГТУ) (одна, две, три), по числу контуров котлов утилизаторов (КУ) (одноконтурные, двухконтурные, трехконтурные), отсутствию или наличию промежуточного перегрева пара в ПТУ и т. п. А также по типу топлива используемого данной установкой (Газ, жидкое топливо, биомасса и.т.д.)

Заключение

Внедрение парогазовых установок в энергетику России является очень перспективным направлением. ПГУ имеют очень большую экономическую и инвестиционную эффективность. Так же использование ПГУ на биотопливе позволит решить проблему, связанную с ростом экономического мирового кризиса, связанного с нехваткой топливно-энергетических ресурсов.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках научного проекта № МК-5098.2016.8»

Литература

1. Парогазовые установки. [Электронный ресурс] Дата обновления: 22.11.2010. -url: http:// bestreferat.ru.html (дата обращения: 29.02.2016).
2. Галашов Н.Н. Анализ Эффективности парогазовых установок тринарного типа / Н.Н. Галашов, С.А. Цибульский // Известия томского политематического университета. – 2014. – №4. – С. 33-38.
3. Основные положения Энергетической стратегии России на период до 2020 года. - М.: Минэнерго РФ, 2001.
4. Письменный В.Л. Многорежимная парогазовая установка / В.Л. Письменный // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2006. – №7-8. – С. 43-48.
5. Мошкарин А.В. Сравнительный анализ котлов-утилизаторов вертикального и горизонтального типа / А.В. Мошкарин, Б.Л. Шелыгин, Т.А. Жамлиханов // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. – 2009. – №4. – С. 15-17.
6. Зарянкин А.Е. Парогазовая установка с регенеративным подогревом питательной воды / А.Е. Зарянкин, А.Н. Рогалев, Е.Ю. Григорьев, А.С. Магер// Вестник Ивановского государственного энергетического университета. – 2013. – №2. – С. 19-22.
7. Богомолова Т.В. Повышение эффективности бинарных ПТУ при использовании парового охлаждения лопаток газовой турбины / Т.В. Богомолова, М.Б. Цирков // Вестник МЭИ. – 2013. – №3 – С. 27-31.
8. Касилов В.Ф. Перспективы использования парогазовых технологий в энергоблоках атомных электростанций / В.Ф. Касилов, А.В. Низовой // Научные исследования: от теории к практике. – 2015. – №4(5). – С. 34-38.
9. Кряжев А.В. Использование парогазовой технологии на АЭС / А.В. Кряжев, А.М. Антонова // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. – 2010. – №1. – С. 56-61.
10. Седнин В.А. Параметрическая оптимизация парогазовой установки на биомассе / В.А. Седнин, А.И. Левшеня // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетка. – 2013.– №6. – С. 72-79.
11. Мазуренко А.С. Экономическая эффективность парогазовых установок на биотопливе / А.С, Мазуренко, А.Е. Денисова, НГО МиньХиеу // Энергетика: экономика, технологии, экология. – 2013. – №1(32). – С. 15-19.

References

1. Parogazovye ustanovki. [JElektronnyj resurs] data obnovlenija: 22.11.2010. -URL: http:// bestreferat.ru.html (data obrashhenija: 29.02.2016).
2. Galashov N.N. Analiz JEffektivnosti parogazovyh ustanovok trinarnogo tipa / N.N. Galashov, S.A. Cibul'skij // Izvestija tomskogo politematicheskogo universiteta. – 2014. – №4. – S. 33-38.
3. Osnovnye polozhenija JEnergeticheskoj strategii Rossii na period do 2020 goda. - M.: Minjenergo RF, 2001.
4. Pis'mennyj V.L. Mnogorezhimnaja parogazovaja ustanovka / V.L. Pis'mennyj // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Problemy jenergetiki. – 2006. – №7-8. – S. 43-48.
5. Moshkarin A.V. Sravnitel'nyj analiz kotlov-utilizatorov vertikal'nogo i gorizontal'nogo tipa / A.V. Moshkarin, B.L. SHelygin, T.A. ZHamlihanov // Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo jenergeticheskogo universiteta. – 2009. – №4. – S. 15-17.
6. Zarjankin A.E. Parogazovaja ustanovka s regenerativnym podogrevom pitatel'noj vody / A.E. Zarjankin, A.N. Rogalev, E.JU. Grigor'ev, A.S. Mager// Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo jenergeticheskogo universiteta. – 2013. – №2. – S. 19-22.
7. Bogomolova T.V. Povyshenie jeffektivnosti binarnyh PTU pri ispol'zovanii parovogo ohlazhdenija lopatok gazovoj turbiny / T.V. Bogomolova, M.B. Cirkov // Vestnik MJEI. – 2013. – №3 – S. 27-31.
8. Kasilov V.F. Perspektivy ispol'zovanija parogazovyh tehnologij v jenergoblokah atomnyh jelektrostancij / V.F. Kasilov, A.V. Nizovoj // Nauchnye issledovanija: ot teorii k praktike. – 2015. – №4(5). – S. 34-38.
9. Krjazhev A.V. Ispol'zovanie parogazovoj tehnologii na AJES / A.V. Krjazhev, A.M. Antonova // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. JAdernaja jenergetika. – 2010. – №1. – S. 56-61.
10. Sednin V.A. Parametricheskaja optimizacija parogazovoj ustanovki na biomasse / V.A. Sednin, A.I. Levshenja // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij i jenergeticheskih ob#edinenij SNG. JEnergetka. – 2013.– №6. – S. 72-79.
11. Mazurenko A.S. JEkonomicheskaja jeffektivnost' parogazovyh ustanovok na biotoplive / A.S, Mazurenko, A.E. Denisova, NGO Min'Hieu // JEnergetika: jekonomika, tehnologii, jekologija. – 2013. – №1(32). – S. 15-19.