Природоохранные технологии при использовании газотурбинных установок

Одной из быстроразвивающихся технологий производства электроэнергии являются газотурбинные установки. Они могут применяться отдельно (ГТУ) или в сочетании с другими энергоагрегатами по более сложным, так называемым комбинированным тепловым схемам. В настоящее время хорошо освоены ГТУ и ПГУ на газообразном и жидком топливе. Однако существуют разработки и на углях, когда проводится предварительная газификация твердого топлива (высокотемпературная или низкотемпературная) под давлением [29, 38, 39].

Современные газовые турбины имеют высокие параметры на входе (температура до 1200…1500 ⁰С и степень сжатия до 15…17), что дает возможность иметь КПД ГТУ, сравнимый с паротурбинными установками (до 40 %), а в сочетании с котлом утилизатором и паровой турбиной экономичность ПГУ повышается до 60 %.

Наиболее распространенными тепловыми схемами использования ГТУ в энергетике являются:

- газовые турбины с регенератором, повышающим экономичность ГТУ при переменных режимах (рис. 12.6, а);

- газовая турбина с сетевым подогревателем, работающим на тепловую сеть или другого теплового потребителя (рис. 12.6, б);

- газовые турбины с котлом-утилизатором, работающим на паровую турбину (рис. 12. 6, в);

- парогазовые установки с параллельной схемой, когда ГТУ работает на газе, а ПТУ - на твердом топливе (рис. 12. 7, а);

- ПГУ с высоконапорным парогенератором на природном газе (рис. 12. 7, б);

- ПГУ с использованием высокотемпературной или низкотемпературной газификации угля под давлением (рис.12. 7, в).

Рис. 12.6. Технологические схемы ГТУ с регенератором (а), сетевым подогревателем (б) и котлом–утилизатором (в), работающим на ПТУ:

1 – компрессор; 2 – регенератор; 3– подвод топлива; 4– камера сгорания; 5 – газовая турбина; 6 – сетевой подогреватель; 7 – тепловая сеть; 8 – котел-утилизатор;

9 – паровая турбина

Рис.12.7. Технологическая схема ПГУ с параллельной схемой (а), высоконапорным парогенератором (б) и газификацией твердого топлива под давлением (в):

1 – компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – твердое топливо; 4 – котел; 5 – паровая турбина; 6 – газообразное или жидкое топливо; 7 – газовая турбина; 8 – высоконапорный парогенератор; 9 – теплообменник; 10 – газификатор под давлением

Активному внедрению газовых турбин в энергетике способствует их мобильность и маневренность, т. е. возможность эффективно работать в переменных режимах, что позволяет использовать ГТУ в пиковых и полупиковых нагрузках. Условия маневренности и мобильности связаны с возможностью быстрого прогрева и остывания металла, обмуровки, рабочих сред и других материалов ограждающих конструкций. В табл.12.2 приведены сравнительные данные по массам металла, постоянной времени при регулировании нагрузки и расходам топлива при пуске следующих энергоустановок: паротурбинных установок (ПТУ), энергетических и авиационных ГТУ. Из табл.12.2 видно, что ГТУ имеют практически неограниченные скорости изменения нагрузки, в то время как паротурбинные установки ограничены по скорости нагружения (не более 2,5…3,5 МВт/мин). На рис. 12.8 графически показаны сравнительные характеристики экономичности ГТУ и ПТУ при различных давлениях рабочей среды. Установка регенератора повышает экономичность ГТУ при сниженных нагрузках, что особенно актуально при использовании ГТУ в пиковых и полупиковых режимах работы.

Перспективы использования ГТУ и ПГУ в энергетике связаны с экологической чистотой производства электроэнергии. Основным источником генерации вредных веществ в ГТУ и ПГУ являются камеры сгорания. Поэтому создание малотоксичных камер сгорания при применении ГТУ и ПГУ является важным природоохранным мероприятием.

Существуют два основных способа снижения образования оксидов азота, направленные на уменьшение температуры в камере сгорания:

1. Впрыск пара или воды в зону высоких температур факела камеры сгорания.

2. Создание экологической чистоты горения режимными факторами или совершенствованием конструкции камеры сгорания.

Таблица 12.2