Газотурбинные установки с МГД-генератором

Повышение КПД энергетических установок возможно путем увеличения высшей температуры цикла. Это может быть реализовано в цикле комбинированной установки с МГД-генератором, рабочим телом в которой служат продукты сгорания, инертные газы, двухфазные смеси и жидкости.

Принцип работы МГД-генератора основан на преобразовании внутренней энергии электропроводящей среды в электрическую при пересечении движущимся рабочим телом силовых линий магнитного поля. Рабочий процесс МГД-генератора аналогичен процессу в газовой турбине, но отличием является отсутствие вращающихся частей. Поэтому МГД-генератор иногда называют электромагнитной турбиной, термодинамический цикл, включающий повышение давления, процесс подвода теплоты, разгон рабочего тела и преобразование энергии в канале МГД-генератора, подобен циклу простой ГТУ.

Простейшая установка открытого цикла с МГД-генератором состоит из компрессора, откуда окислитель поступает в камеру сгорания, куда вводится топливо и ионизирующая присадка. Продукты сгорания разгоняются в сопле и поступают в канал МГД-генератора. Электрическая мощность снимаемая на нагрузку с электродов, генерируется в канале.

Преимущества метода получения электрической энергии с помощью МГД-генератора по сравнению с традиционным методам электромашинного преобразования в ПТУ или ГТУ заключаются в следующем:

· возможность повышения температуры цикла и соответственно КПД установки более чем 50%;

· возможность получения высоких удельных мощностей на единицу объема (до 500 Мвт/м³ и более) в единичном блоке;

· снижение массогабаритных показателей установки и повышение удельной массовой мощности;

· уменьшение температуры газа, выходящего в окружающую среду;

· усовершенствование существующих тепловых энергетических установок на базе ПТУ.

Техническая реализация этого метода встречает ряд трудностей, главными из которых являются: проблема снижения потерь в рабочем процессе МГД-генератора и создание канала МГД-генератора с большим ресурсом работы, создание магнитной системы с индукцией В ³ 4 Тл; обеспечение устойчивой ионизации рабочего тела; выбор высокотемпературных материалов канала.

КПД МГД-генератора h_мг, определяется аналогично мощностному КПД турбины в виде:

h_мг = (i ^*_мг – i ^*_м) / (i ^*_мг – i ^*_м.из)

где: энтальпии i с индексами мг – высшая температура цикла, м – температура МГД-генератора, м.из – температура изобары.

КПД h_пр преобразования энтальпии выражается как отношение полезной мощности N _ек массовому расходу G и энтальпии i ^*_мг при высшей температуре цикла

h_пр = N _эл / Gi ^*_мг

Отметим, что указанные преимущества установок с МГД-генератором достижимы при h_мг> 65% и h_пр> 20%. Значения h_мг и h_пр зависят от уровня мощности МГД-генератора и расхода рабочего тела.

Электрическая проводимость sрабочего тела, необходимая для реализации преобразования энергии с помощью МГД-генератора, должна быть больше 2(Ом× м)^-1, что определяется прямо пропорциональной зависимостью удельной мощности МГД-генератора от электрической проводимости. Достижение указанных значений s возможно при использовании продуктов сгорания твердого, жидкого или газообразного топлив, инертных газов с легко ионизируемыми присадками щелочных металлов (натрия, калия или цезия) при термической и нетермической ионизации. Использование жидких металлов или газожидкостных рабочих тел позволяет получить значение s > > 2(Ом× м)^-1, но встречает трудности при разгоне рабочего тела.

Уровень температуры продуктов сгорания с добавкой легкоионизируемой присадки при выполнении указанного условия должен составлять 2300 – 3500К, а в инертных газах 2000 – 2500К. При нетермической (неравновесной) ионизации газов с присадкой, температура газа может быть уменьшена до 1800К.

Примерный термодинамический цикл в t, s координатах таких установок приведен на рис.

Термодинамическую эффективность таких установок оценивают при сравнении их КПД с КПД цикла Карно h_ка. В этом случае приближение КПД анализируемой установки h_е к КПД h_ка определяется коэффициентом x, учитывающим качество установки.

x = h_е / h_ка

x позволяет оценить эффективность установки и дальнейшие возможности повышения эффективности по мере усовершенствования цикла и схемы установки. Значения x находятся в диапазоне 0.35 – 0.7.

Принцип работы установки следующий: атмосферный воздух сжимается последовательно компрессорами К1 – К3 (число компрессоров определяется в результате оптимизации цикла), охлаждаясь в промежуточных охладителях Х, затем поступает в подогреватели П1 ­– П2, где подогревается газами, выходящими из МГД-генератора. Расширяясь в турбинах Т1 –Т2 (число турбин определяется в результате оптимизации цикла), воздух производит работу, которая частично расходуется на привод компрессоров. После турбины Т2 воздух поступает в высокотемпературный теплообменник Р1 и затем направляется в камеру сгорания Г МГД-генератора, куда подается топливо и легко ионизируемая присадка, например поташ К₂СО₃. Созданные опытные высокотемпературные теплообменники регенеративного типа с шаровой насадкой позволяют довести предварительный подогрев до 1700 – 2000 К. В камере сгорания температура повышается до 2700 – 3000 К, и рабочее тело после разгона в сопле поступает на рабочий участок канала, где снимается полезная электрическая мощность Nмг. Далее газ идет в теплообменники Р1, П1 – П2, где нагревает воздух, и после выведения присадки выбрасывается в атмосферу. В данной схеме МГД-генератор турбине низкого давления, за которой теплота утилизируется для подогрева воздуха перед турбинами и предварительного подогрева воздуха перед камерой сгорания МГД-генератора.

Для облегчения пуска и улучшения регулирования установки на переменном режиме можно располагать дополнительные камеры сгорания г.

Мощность комбинированной установки

N _е= [ N _{е мг} + (N _тS – N _кS)h_м](1–D_см)

где N _{е мг} – мощность МГД-генератора; N _тS– суммарная мощность турбин; N _кS – суммарная мощность компрессоров; D_см – доля затрат мощности на возбуждение обмотки магнита и собственные нужды станции; h_м – механический КПД.

Пусть степень понижения давления газа в МГД-генераторе Р_МГ/Р_М, тогда у_мг = (Р_МГ/Р_М)^(k-1)/k, где k – показатель адиабаты на участке понижения давления в канале МГД-генератора.

Оптимизация параметров комбинированного цикла находят так же как поступили для вывода ГТУ с регенератором (26, 27). Полагая Т_А1 = Т_А2 = Т_А3, x₀ = Т_А1/ Т_А и Т_Г1 = Т_Г2 = Т_Г3 = Т_Г, для получения зависимости КПД цикла и мощности установки суммарная удельная работа компрессоров будет

L _кS= c_рв Т _А{[(x₀ x ₂)^{1/ hк.п} –1] + x₀(z–1)(x ₂^{1/ hк.п}–1) +

+ x₀ [(x /x₀ x ₂^z)^{1/ hк.п} – 1]}(1+g_в)

и суммарную удельную работу турбин

L _тS= c_рг Т _Г[(1–1/у₂^hт.п)z + (1 – 1/ у₃^hт.п)]

где c_рви c_рг – удельные теплоемкости воздуха в процессе сжатия в компрессорах и расширения в турбинах соответственно; h_к.п, h_т.п – политропные КПД компрессора и турбины; g_в – относительный расход воздуха на охлаждение канала МГД-генератора и турбин; z и z – число компрессоров и турбин соответственно.

Удельную теплоту, подведенную в камере сгорания МГД-генератора к рабочему телу при заданной температуре предварительного подогрева воздуха, определяется так же, как и для простого ГТУ.

КПД цикла будет

h_е = ((L _тS– L _кS) + L _мгh_мс) / Q ^p_нg_тл

Удельная мощность L _мг соответствует предварительно выбранному режиму работы МГД-генератора.

Из условия получения максимального КПД цикла тем же способом () находят оптимальные параметры газотурбинной части цикла d h_е/ dx ₂ = 0 и d h_е/ dу ₂ = 0, при условии у_мг = const:

x _{2 h}= (x /x₀)^1/(z+1)[ x₀z / x₀^{1/ hк.п} + (z–1) x₀] ^hк.п/(z+1)

y _{2 h}= (cx^m / у_мг)^1/(z+1)

Определив оптимальные величины x _{2 h}и y _{2 h}, находим мощность установки N _е при заданном расходе воздуха Gв с абсолютной скоростью с, где m = с_рк/с_рт.

Для получения наибольшей степени утилизации теплоты температуру воздуха перед турбинами Т _Г и при заданных Т _МГ, р _МГ и Т _ПП выбирают исходя из известной температуры за МГД-генератором.

КПД комбинированного цикла растет с увеличением p_кS, z, z и с повышением температуры Т _Г перед турбинами. Одновременно с повышением КПД растет и мощность N _мг МГД-генератора, мощность всей установки N _е, и изменяется соотношение между мощностями, получаемыми ГТУ и МГД-генератором.

Анализ расчета комбинированной установки с МГД-генератором и предвключенным ГТУ показывает, что при умеренной температуре предварительного подогрева воздуха Тпп = 1500 К, которая является реальной в настоящее время, и Тмг = 2700 К, при р _МГ = 0.05 МПа, Т _Г = 1100 К, z = 4, z = 3 КПД цикла h_е может достигнуть 0.53.

22. Комбинированная установка с МГД – генератором, камерой смешения и ГТУ.

Установка с МГД-генератором, камерой смешения и ГТУ, такая схема позволяет исключить из комбинированной установки весьма сложный высокотемпературный теплообменник, понижение температуры газа перед турбиной осуществляется путем смешения горячего газа, выходящего из канала МГД-генератора, с частью воздуха, из компрессора ГТУ, рис..

Поступающий из атмосферы воздух сжимается в компрессорах К1 – К4 с промежуточным охлаждением в холодильниках х. Перед компрессором К5 часть воздуха G₁ отбирается в смесительную камеру КС. Остальная часть воздуха G₂ дожимается в компрессоре К5 и поступает в камеру сгорания Г МГД-генератора, где в результате сгорания топлива температура газа повышается до Тмг. Далее газ направляется в канал МГД-генератора и камеру смешения КС. Изменяя отношение расходов G₁/ G₂, получают необходимую температуру газа перед турбиной Т1. Промежуточные камеры сгорания Г2 – Г3 обеспечивают необходимую температуру Тг перед другими турбинами.

Полезная мощность снимается как с генератора на валу ГТУ, так и с зажимов МГД-генератора. При реальных температуре и давлении газа при входе в канал МГД-генератора: Тмг = 2850 К и р _МГ = 10 –12 МПа, то получим температуру газа перед турбиной 1100 К при G₂/(G₁+ G₂) = 0.32, а мощность и КПД установки при z = 4 и z = 2 могут быть равны 430 МВт и 0.515 соответственно.

КПД такой установки ниже КПД комбинированной установки с последовательным и параллельным расположением МГД-генератора и ГТУ, однако отсутствие высокотемпературного теплообменника позволяет улучшить технико-экономические показатели установки ее надежность.

Поскольку температура воздуха за компрессором невысока, то для получения необходимой температуры газа Тмг в камере сгорания перед МГД-генератором воздух при входе в камеру сгорания обогащается кислородом. Так как с повышением давления при входе в МГД-генератор электрическая проводимость уменьшается, то для получения высокого КПД канала МГД-генератора вместо калия целесообразно вводить присадку цезия или использовать нетермические способы ионизации.

23. Повышение КПД ГТУ. Котёл – утилизатор паровой.

Котлы-утилизаторы предназначены для генерации пара или горячей воды за счет утилизации тепловой энергии выхлопных газов ГТУ. Выработанный пар может подаваться на паровую турбину или использоваться для технологических нужд. Горячая вода используется для технологических нужд предприятия и теплоснабжения жилых районов.

Котел-утилизатор паровой имеет вертикальную (горизонтальную) компоновку с нижним подводом газов от ГТУ и выполнен газоплотным. Выхлопные газы ГТУ по подводящему газоходу, проходя через шумоглушитель первой ступени, установленный на входе в КУП поступают на блок теплообменников котла-утилизатора. В блоке теплообменников выхлопные газы последовательно омывают оребренные трубы пароперегревателя Ппг, двухступенчатого испарителя Исп., экономайзера Экн. Охлажденные в котле выхлопные газы, проходя через шумоглушитель второй ступени через выхлопную (дымовую) трубу выбрасываются в атмосферу.

Для компенсации тепловых перемещений на входе в КУП (перед шумоглушителем первой ступени) и на выходе из КУП (перед шумоглушителем второй ступени) устанавливаются “мягкие” компенсаторы.

Канал байпаса выхлопных газов после ГТУ обеспечивает регулирование отпуска тепла и представляет возможность для автономной работы газотурбинной установки при отсутствии тепловой нагрузки.

Изоляция котла-утилизатора и декоративная обшивка, включая газоходы, обеспечивает температуру наружной поверхности изоляции не более 45^оС при температуре окружающего воздуха 25^оС.

Тепловая схема, весь пар, выработанный котлом, направляется в охладительную установку ОУ, где охлаждается, и далее распределяется: на отпуск во внешнюю сеть и на собственные нужды – в атмосферный деаэратор.

Регулирование температуры пара осуществляется за счет установки регулирующего клапана на линии ввода питательной воды в сепаратор пара, необходимое давление осуществляется питательным насосом Пн.

Для использования тепла непрерывной продувки котла, выводимая продувочная вода из котла, поступает на теплообменники водоподготовки, где используется для подогрева исходной воды, отсепарированная вода из сепаратора пара, после парообразования, циркуляционным насосом Цн и системой регулировочных клапанов поступает обратно в испаритель.

Для сброса продувок и дренажей от оборудования и трубопроводов установлен продувочный охлаждающий колодец ОК, вода из которого используется повторно, проходя через систему водоподготовки или сбрасывается в канализацию.

Система водоподготовки – котел-утилизатор должен быть обеспечен питательной водой соответствующей по качеству требованиям ГОСТа: остсутствие свободной углекислоты, рН = 8.4^+0.5, содержание соединений железа до 0.5 мг/дм³, содержание растворенного кислорода до 50 мг/кг, прозрачность порядка 30 см, жесткость карбонатная до 40 мкг-экв/кг, остсутствие нефтепродуктов.

Обработка воды осуществляется на участке водоподготовки: в фильтрах-осветлителях удаляются грубодисперстные примеси воды путем пропуска ее через пористое вещество, на поверхности и в порах которого остаются грубодисперстные примеси; для снижения жесткости воды применяется катионирование, которое осуществляется на катионных фильтрах, добавляется твердое нерастворимое вещество с которым происходит катионный обмен между последним и растворимыми в воде солями, в результате происходит умягчение воды, преобразование ограниченно растворимых солей в нерастворимые соли – ра­бота катионного фильтра состоит из двух периодов, рабочего, когда происходит умягчение воды, и простоя, когда производится его регенерация. Чтобы предотвратить чрезмерное увеличение концентрации веществ в котловой воде производится продувка сепаратора, заключающаяся в выводе части котловой воды и замена ее питательной; различают непрерывную Прн. и периодическую Прп.: непрерывная продувка имеет целью поддержания в котловой воде определенной концентрации солей, периодическая продувка предназначена для вывода из котла шлама. Для контроля качества воды и пара производится отбор проб ¦ через соответствующие охладители.

В деаэраторе происходит процесс удаления из воды растворенных газов. Атмосферный деаэратор смесительного типа состоит из деаэроционной колонки и бака запаса (аккумулятора), служащего емкостью деаэрированной воды. Атмосферный деаэратор оборудован гидрозатвором устраняющим образование в колонке большого давление или вакуума на выходе деаэрированной воду к питательному насосу. Регулирование уровня и давления деаэраторе осуществляется за счет регулирующих клапанов, установленных на линиях подвода химически очищенной воды и пара.

На контрольно-измерительные приборы и систему автоматизированного управления (КИП и А) технологическими процессами возлагаются следующие функции:

· обработка и представление необходимой информации о ходе технологических процессов;

· автоматическое регулирование параметров;

· автоматизированные технологические защиты и блокировки, обеспечивающие предотвращение или локализацию аварийных ситуаций и выполнение необходимых действий по останову котла-утилизатора, отключению дополнительного оборудования;

· автоматическое управление программ пуска и останова котла-утилизатора.

24 Повышение КПД ГТУ. Котёл утилизатор водяной.

Известны следующие способы повышения эффективности ГТУ: форсирование параметров цикла; усложнение термодинамического цикла; впрыск воды, водяного пара в проточную часть ГТУ. Именно для последнего и подходит котел-утилизатор водяной.

Котел-утилизатор водяной имеет вертикальную (горизонтальную) компоновку с нижним подводом газов от ГТУ и выполнен газоплотным. Выхлопные газы ГТУ по подводящему газоходу, проходя через шумоглуши-тель первой ступени, установленный на входе в КУВ поступают на блок-модуль поверхности нагрева МПН, выполенную из оребренных труб, и газового подогревателя сетевой вода ГПСВ, устанавливаемого в случае необходимости, котла-утилизатора. Охлажденные в котле выхлопные газы, проходя через шумоглушитель второй ступени через выхлопную (дымовую) трубу выбрасываются в атмосферу.

Для компенсации тепловых перемещений на входе в КУВ (перед шумоглушителем первой ступени) и на выходе из КУВ (перед шумоглушителем второй ступени) устанавливаются “мягкие” компенсаторы.

Канал байпаса выхлопных газов после ГТУ обеспечивает регулирование отпуска тепла и представляет возможность для автономной работы газотурбинной установки при отсутствии тепловой нагрузки.

Изоляция котла-утилизатора и декоративная обшивка, включая газо-ходы, обеспечивает температуру наружной поверхности изоляции не более 45оС при температуре окружающего воздуха 25 оС.

Тепловая схема, вода в котле-утилизаторе циркулирует по замкнутому циклу, по двум контурам. Циркуляция воды и регулирование её температуры обеспечивается циркуляционными насосами. Двухконтурная циркуляция воды котла-утилизатора обеспечивает поддержание заданной температуры воды, отпускаемой потребителю и поддержание температуры воды на входе в КУВ порядка 60 0С для уменьшения коррозии хвостовых поверхностей нагрева газоводяного теплообменника.

Часть воды с выхода КУВ поступает в атмосферный деаэратор смесительного типа.

Подвод подпиточной воды в котел-утилизатор осуществляется от системы водоподготовки, которая подобна котлу-утилизатору паровому.

1. каркас котла и обшивка;

2. лестницы и площадки обслуживания;

3. система водоподготовки (при необходимости).

4. пароперегревателя;

5. испарителя;

6. экономайзера;

7. сепаратор пара;

8. питательный и циркуляционный насосы;

25. Входное устройство ГТУ

Рисунок 1 – Входное устройство ГТУ.

1 – входная камера; 2 – лемниската (желобок); 3 – корпус промывки; 4 – переходный корпус.

На рисунке 1 представлено входное устройство газотурбинной установки.

Входная камера предназначена для изменения направления потоков газа и воздуха для подачи его в двигатель. Также во входной камере происходит сбор пыли и льда. Для того, чтобы можно было попасть в камеру и проводить ее осмотр, в ней проделан дверной проем.

Далее потоки проходят желобок, после которого попадают в корпус промывки. Стенки желобка имеет форму лемнискаты, которая обеспечивает безотрывность потоков при их прохождении, и, как следствие, снижаются потери скорости. Присутствуют потери на трение и смешивание потоков.

В корпусе промывки подается моющий раствор. Благодаря этому происходит более тонкое очищение газового потока от пыли и грязи, которые снижают ресурс и параметры двигателя. Потери скорости увеличиваются. Корпус промывки выполняют съемным, чтобы можно было снизить потери скорости потока при приемном его качестве на содержание различных примесей.

Далее газ поступает в двигатель через переходный корпус.