Газопаровая установка со сжиганием топлива в кислороде
В США идет разработка третьего поколения энергоустановок со сжиганием в среде кислорода газообразного топлива, полученного из угля. Коэффициент полезного действия 36-40%, с учетом потерь на газификацию и удаления СО2. В настоящее время разрабатывается проект демонстрационной установки электрической мощность 25МВт.
Планируется использовать трехцилиндровую турбину, работающую на продуктах сгорания, содержащих СО2 и Н2О. Чистый синтез-газ сжигается в камере сгорания первой ступени с добавлением воды для снижения температуры продуктов сгорания до температуры 760С. Образующаяся смесь паров воды и СО2 расширяется в турбине высокого давления, схожей с цилиндром высокого давления (ЦВД) паровых турбин на суперкритические пapаметры.
Рис. 7.18 Схема газопаровой установки с сжиганием в кислороде
Давление среды на входе в турбину высокого давления, расположенной непосредственно за главной камерой сгорания, принято таким же, как в обычных паровых: турбинах (около 11 МПа), а температура примерно на 165°С выше - 760 °С.
Из-за наличия в продуктах сгорания избыточного кислорода возникают дополнительные требования к материалами, из которых изготовляются лопатки. Предполагается, что для лопаток турбины высокого давления (ТВД) будут использоваться газотурбинные сплавы и термобарьерные покрытия, а ротор будет выполнен с паровым охлаждением.
Турбина среднего давления (ТСД) размещается после кислородной камеры сгорания (КС2) повторного подогрева, куда подаются также дополнительные синтез-газ, кислород и вода (или пар) для ограничения температуры на выходе из камеры значением 1760 °С. После КС2 продукты сгорания поступают в турбину среднего давления, расширяются и производят работу. Эта турбина конструктивно схожа с высокотемпературными газовыми турбинами; температура среды на входе в нее составляет 1760 °С, давление 4 МПа (при освоенных в ГТУ 1500 °С и 2 МПа). Трудности конструирования такой ТСД связаны с высокой рабочей температурой, регулированием внутренних протечек, уравновешиванием осевого усилия на ротор, созданием материалов и покрытий, способных противостоять высокотемпературной смеси СО2 и Н2О, концентрации которых (в расчетных условиях составляют 15 и 85 %) изменяются в зависимости от режима, и работы камеры сгорания повторного подогрева.
Для расширения продуктов сгорания с 4 МПа до атмосферного давления разработана экономичная семи-ступенчатая турбина с комбинированным (открытым и замкнутым) паровым охлаждением сопловых и рабочих лопаток. Блочно-кольцевая камера сгорания повторного подогрева крепится к корпусу турбины так же, как в ГТУ, с организацией горения вблизи источника охлаждающего пара. Последнее требует также расположения камеры сгорания под небольшим углом к оси турбины и тщательного согласования потока продуктов сгорания с соплами первой ступени турбины.
При выбранном уровне начальной температуры газов (более 1650 °С) и характерном для энергетических ГТУ сроках службы деталей (более 50 тыс. ч) наиболее надежны и эффективны системы замкнутого водяного охлаждения статорных и парового охлаждения вращающихся деталей. В рассматриваемом проекте использованы тонкостенные многоканальные конструкции охлаждаемых паром рабочих лопаток и выполненных с комбинированным охлаждением (паром и водой) статорных деталей.
В турбину низкого давления (ТНД) поступает парогазовая смесь с температурой 760°С и близким к атмосферному давлением. Смесь расширяется до давления примерно 15 кПа, при котором водяные пары охлаждаются в парогенераторе, конденсируются, образующаяся вода рециркулирует для впрыска в кислородные камеры сгорания, а практически чистый СО2 отводится и сжимается для транспортировки и захоронения.
Глава 8. Энергосбережение в газовой промышленности