Характеристики маневренности энергооборудования ТЭС

Характеристики	Мощность энергоустановки, МВт
Масса металла энергооборудования, не менее, тыс. т	ПТУ			6700/10600
Энерго ГТУ		255,3	415,6
Авиац. ГТУ	9,84
Постоянная времени при регулировании нагрузки энергоблока, с	ПТУ	2400..2650	1900...2100	1500...1700
Энерго ГТУ	300...500	300...500	300...500
Авиац. ГТУ	15...50	15...50	15...50
Расход топлива для прогрева металла при пуске блока, более, т у.т.	ПТУ	36,6	78, 1	80,9 / 101,9
Энерго ГТУ	1,69	1,92	3,12
Авиац. ГТУ	0,074	0,226	0,376

Рис. 12.8. Зависимость эффективного КПД газотурбинной установки на базе LM – 2500: 1 – с охлаждением лопаток; 2 – без охлаждения; КПД паротурбинной установки: 3 – максимальный; 4 – минимальный; зависимость от степени сжатия для газовых и начального давления для паровых турбин: 5 – подведенного тепла; 6 – приведенной работы

 

Впрыск в зону горения пара и воды является самым простым способом, который освоен давно и активно применяется в настоящее время [24]. Эффективность этого способа подтверждается промышленными испытаниями самых различных горелочных устройств. Снижение образования оксидов азота при наиболее эффективной подаче влаги в зону горения можно определить по уравнению

,

где NO_х, NO_х.вл – количество образовавшихся оксидов азота без введения влаги и после впрыска воды или пара;

G_вл – расход воды или пара в камере сгорания, кг/с.

Влага подается в камеру сгорания с помощью распыливающих устройств, установленных перед завихрителями или, в виде водотопливных эмульсий в горелочные форсунки. Пар подается через воздушные каналы на распыл основных форсунок или, так же как и вода, перед завихрителями.

Впрыск влаги в зону горения имеет следующие недостатки:

- потери химически чистой воды, что требует увеличения подпитки в тепловую схему ПГУ или специальную химическую подготовку воды или пара на впрыск в ГТУ;

- при действии впрыска происходит снижение экономичности ГТУ;

- на ГТУ при впрыске возможно появление пульсаций давления рабочей среды.

В настоящее время активно ведется поиск новых конструктивных решений по созданию малотоксичных камер сгорания ГТУ [24]. В разрабатываемых конструкциях камер сгорания используются, в основном, два принципа:

- обеднение топливно-воздушной смеси, т. е. увеличение коэффициента избытка первичного воздуха, подаваемого в камеру сгорания;

- увеличение фронта или объема горения топлива, что приводит к уменьшению скорости образования оксидов азота как за счет снижения уровня температур в камере сгорания, так и времени пребывания продуктов сгорания в зоне этих температур.

На рис. 12.9 показан эффект снижения выбросов оксидов азота в зависимости от коэффициента избытка первичного воздуха, полученного для ГТУ-6-750 [24]. Видно, что таким способом можно уменьшить образование оксидов азота в 4…8 раз.

Увеличения фронта или объема горения топлива в камере сгорания добиваются поиском новых конструкций горелочных устройств и организацией интенсивного теплообмена в зоне горения. Влияние конструктивных и режимных факторов при сжигании природного газа на образование оксидов азота (%) в камере сгорания определяется уравнением

,

где А – постоянный коэффициент для определенной конструкции камеры сгорания;

– коэффициент избытка воздуха во фронте горения;

п – коэффициент, характеризующий особенности конструкции горелочных устройств;

– размер, характеризующий камеру сгорания, м;

– давление в камере сгорания, МПа;

– скорость воздуха на выходе из фронта горения, м/с;

– температура горения при , К; определяется по уравнению ;

– температура воздуха на входе в камеру сгорания, К.

 

Рис. 12.9. Концентрация оксидов азота за газовой турбиной в зависимости от избытка первичного воздуха в камере сгорания

 

При сгорании жидкого топлива концентрация оксидов азота на выходе из камеры сгорания на 15…25 % выше, чем при сжигании природного газа.

Эволюция создания малотоксичных камер сгорания ГТУ может быть представлена следующим образом:

- многогорелочное (многофакельное) фронтовое устройство (рис.12.10,б) при и = 850…1000 ⁰С, где – температура горения в камере сгорания;

- многофакельное сжигание во встречно-закрученных струях при = 1100…1200 ⁰С;

- двухзонные камеры сгорания (рис. 12.10, в) при = 1100…1200 ⁰С;

- фронтовое устройство предварительного смешивания при = 1100…1200 ⁰С.

Изменения температур во фронтовой плоскости (ось х) и по длине объема камеры (ось y) графически показаны на рис. 12.10 г, д для традиционной одногорелочной (рис. 12.10,а), многофакельной (рис. 12.10,б) и двухзонной (рис. 12.10,в) камер сгорания газотурбинных установок. Из рис. 12.10 видно, что уменьшение образования оксидов азота в ГТУ добиваются путем снижения высоких, локальных температур и достижением более равномерного температурного поля как по ширине, так и по длине камеры сгорания.

Рис. 12.10. Конструктивная схема камер сгорания (КС) и изменения температур в объеме КС: а – одногорелочная КС; б – многофакельная КС; в – двухзонная КС;

г – изменение температур по ширине одногорелочной (а) и многофакельной (б) КС; д – изменения температур по длине тех же и двухзонной (в) КС

 

На рис. 12.11 представлены данные по образованию и СО при применении различных конструкций малотоксичных камер сгорания в переменных режимах при сжигании природного газа.

Снижение концентрации оксидов азота в малотоксичных горелках ГТУ достигается организацией полного или частичного предварительного смешивания топлива и воздуха при коэффициентах избытка воздуха в смеси = 1,9…2,2. Предварительное смешивание топлива с воздухом может происходить как перед горелочным устройством, так и в специальных объемах (двухзонная) камеры сгорания.

При усложнении конструкций малотоксичных камер сгорания потребовалась разработка конкретных алгоритмов оптимального нагружения различных ГТУ, обеспечивающих регулируемое распределение топлива и воздуха и, таким образом, минимальное образование вредных веществ при номинальных и переменных режимах работы ГТУ.

 

Рис. 12.11. Концентрация NO_x в рабочих режимах (а) и СО в пусковых режимах (б) для ГТУ с разными типами КС при сжигании природного газа: 1– традиционная КС (); 2 – высокофорсированная КС с последовательным вводом воздуха; 3 – многогорелочное фронтовое устройство (= 2,0…2,5); 4 – микрофакельное сжигание во встречно–закрученных струях; 5 – двухзонная КС; 6 – фронтовое устройство, предварительное смесеобразование

 

Перевод в будущем газовых турбин на использование генераторного газа после газификации твердого топлива, возможно, потребует новых решений по уменьшению образования вредных веществ, как отходов энергопроизводства. Однако пути этих решений, вероятнее всего, будут такими же: создание гомогенных рабочих сред на фронте горения и уменьшение температуры сжигания топлива в камерах сгорания.

Если борьба с оксидами азота и в газотурбинных установках ведется организацией оптимальных режимов горения и созданием более совершенных горелочных устройств, то уменьшение образования других вредных веществ (оксидов серы, хлористофтористых и др.) должно проводиться на основе химического связывания их и выделения в контролируемые и полезные для человека соединения.