Реакторы и парогенераторы

Введение

    В настоящее время в России действует несколько тысяч ТЭЦ и ГРЭС, а также более 66 тысяч котельных, которые дают практически 80% вырабатываемого тепла. В этом плане, Россия является безусловным мировым лидером по объемам централизованного теплоснабжения. Заметим, что по части централизации Россия является мировым лидером не только в области энергетики.

  Однако экспертами отмечаются неэффективность использования  газа на устаревших агрегатах, а также  низкий уровень КПД традиционных паросиловых турбин, который не превышает 38%. В централизованных сетях тепло  производится большей частью на оборудовании прошлых поколений, избыток же тепла  «греет» воздух.

  Использование локальных  систем производства электрической  и тепловой энергии с использованием газотурбинных энергетических установок (ГТУ), работающих на природном газе или пропане является одним из возможных решений данной задачи.  В связи с этим, наметилась тенденция на строительство децентрализованных комбинированных источников электро и теплоснабжения (так называемый режим когенерации), устанавливаемых как в существующих отопительных котельных, так и на вновь строящихся источниках тепла. Наиболее актуальным является переход на новые небольшие объекты с применением современных газовых турбин, обеспечивающих когенерацию.

  В развитых странах  увеличивается доля установок малой  энергетики с когенерационным циклом, позволяющим оптимизировать выработку  тепла и электроэнергии социальной и промышленной инфраструктуры, а  также обеспечить эффективное энергосбережение. Например, в США и Великобритании доля когенерации в малой энергетике достигает 80%, в Нидерландах – 70%, в Германии – 50%. За рубежом этот процесс активно поддерживается государством и через законодательное регулирование, и посредством бюджетного финансирования.

  Основой экономической  эффективности газотурбинных когенеративных энергетических установок является их высокая электрическая и тепловая экономичность, достигаемая за счет базового режима их работы на тепловом потреблении (отопление, горячее водоснабжение, отпуск тепла для производственных нужд).

  Газотурбинные установки  получили в настоящее время признание  в энергетике, как полностью освоенное, надежное оборудование.

  Эксплуатационные показатели ГТУ на электростанциях находятся  на том же уровне, что и традиционное энергетическое оборудование. Для них  характерна готовность к работе в  течение 90% календарного времени, 2 – 3 летний ремонтный цикл, безотказность  пусков 95 – 97%.

  Малый удельный вес, компактность, простота транспортировки и легкость монтажа являются одними из основных достоинств газотурбинных установок, наиболее привлекательным с точки  зрения их использования.

  К преимуществам ГТУ  также относятся короткие сроки  строительства, повышение надежности тепло и электро-снабжения потребителей, минимальные объемы вредных выбросов в окружающую среду, снижение инерционности  теплового регулирования и потерь в тепловых сетях, относительно сетей  подключенных к крупным РТС и  ТЭЦ.

 1. Описание газотурбинной технологии.

  Основой ГТУ является газогенератор, служащий источником сжатых горячих продуктов сгорания для  привода силовой турбины.

  Газогенератор состоит  из компрессора, камеры сгорания и турбины  привода компрессора. В компрессоре  сжимается атмосферный воздух, который  поступает в камеру сгорания, где  в него через форсунки подается топливо (обычно газ), затем происходит сгорание топлива в потоке воздуха. Продукты сгорания подаются на турбину компрессора  и силовую турбину (при одновальном  варианте компрессор и силовуая турбина  объеденены).Мощность, развиваемая  силовой турбиной, существенно превышает  мощность, потребляемую компрессором на сжатие воздуха, а также преодоление  трения в подшипниках и мощность, затрачиваемую на привод вспомогательных  агрегатов. Разность между этими  величинами представляет собой полезную мощность ГТУ.

  На валу турбины расположен турбогенератор (электрический генератор).

  Отработанные в газотурбинном  приводе газы через выхлопное  устройство и шумоглушитель уходят в дымовую трубу. Возможна утилизация тепла выхлопных газов, когда  отработанные газы поступают в котел-утилизатор, в котором происходит выработка  тепловой энергии в виде пара и/или  горячей воды. Пар или горячая  вода от котла-утилизатора могут  передаваться непосредственно к  тепловому потребителю.

  Электрический КПД современных  газотурбинных установок составляет 33–39%. Однако с учетом высокой температуры  выхлопных газов в мощных газотурбинных  установках имеется возможность  комбинированного использования газовых  и паровых турбин. Такой инженерный подход позволяет существенно повысить эффективность использования топлива  и увеличивает электрический  КПД установок до 57–59%.

  Достоинствами газотурбинных  установок являются малый удельный вес, компактность, простота транспортировки  и легкость монтажа. Допускается  монтаж ГТУ на техническом этаже  здания или крышное расположение маломощных газотурбинных установок. Это полезное свойство ГТУ является важным фактором в городской застройке.

  При эксплуотации газотурбинных  установок содержание вредных выбросов NOх и CO в выхлопных газах у  них минимально. Такие отличные экологические  качества позволяют без проблем  размещать газотурбинные установки  в непосредственной близости от проживания людей.

  Вдобавок ГТУ небольшой  мощности обычно поставляются в виде одного или нескольких блоков полной заводской готовности, требующих  небольшого объема монтажных работ, а их сравнительно небольшие размеры  позволяют их устанавлиать в условиях стесненного генерального плана. Отсюда и относительная дешевизна строительных и монтажных работ.

  Газотурбинные установки  имеют незначительные вибрации и  шумы в пределах 65–75 дБ (что соответствует  по шкале уровня шума звуку пылесоса на расстоянии 1 метр). Как правило, специальная  звуковая изоляция для подобного  высокотехнологичного генерационного оборудования не нужна.

  Современные газотурбинные  установки отличаются высокой надежностью. Есть данные о непрерывной работе некоторых агрегатов в течение  нескольких лет. Многие поставщики газовых  турбин производят капитальный ремонт оборудования на месте, производя замену отдельных узлов без транспортировки на завод - изготовитель, что существенно снижает затраты на обслуживание агрегата.

  Большинство газотурбинных  установок обладают возможностью к  перегрузке, т.е. увеличению мощности выше номинальной. Достигается это путем  повышения температуры рабочего тела.

  Однако, производители  накладывают жесткие ограничения  на продолжительность таких режимов, допуская работу с превышением начальной  температуры не более нескольких сотен часов. Нарушение этих ограничений  заметно снижает ресурс установки.

  Тем не менее, при внедрении  энергетических газотурбинных установок  есть и сложности. Это, прежде всего, необходимость предварительного сжатия газового топлива, что заметно удорожает  производство энергии особенно для  малых ГТУ и в ряде случаев  является существенным препятствием на пути их внедрения в энергетику. Для современных ГТУ с высокими степенями сжатия воздуха, необходимое  давление топливного газа может превышать 25-30 кг/см2.

  Другим существенным недостатком  ГТУ является резкое падение КПД  при снижении нагрузки.

  Срок службы ГТУ значительно  меньше, чем у других энергетических установок и находится обычно в интервале 45-125 тыс. часов.

  Исторически сложилось  так, что пионерами в освоении газотурбинной технологии являлись создатели двигателей для кораблей и самолетов. Поэтому, в настоящее  время, они накопили наибольший опыт в этой области и являются наиболее квалифицированными специалистами.

  В России, ведущие позиции  в изготовлении газотурбинных энергетических установок занимают фирмы, разрабатывающие  и изготовляющие авиационные  газотурбинные дви-гатели и газотурбинные  установки, созданные специально для  энергетического использования:

   - АО «Люлька-Сатурн» (г. Москва),

   - ОАО «Рыбинские Моторы» (г. Рыбинск),

  оба входят в НПО  «Сатурн»,

   - НПП им. В.Я. Климова (г. Санкт-Петербург),

   - ФГУП ММПП «Салют» (г. Москва),

  и другие

  В 2004-2006 гг в Москве с  участием ОАО «Сатурн – Газовые  турбины» было осуществлено строительство  и эксплуатация экспериментальных  газотурбинных установок (ГТУ) на РТС  «Курьяново» и РТС «Пенягино». Основная задача использования газотурбинных  установок – обеспечение независимого снабжения электроэнергией и  теплом объектов жилищно-коммунального  хозяйства. В обоих РТС было установлены  по два газотурбинных агрегата ГТА-6РМ единичной мощностью 6 МВт. ГТА-6РМ является одним из основных видов наземной продукции НПО «Сатурн».

  Газотурбинные агрегаты ГТА-6РМ собираются на базе серийных, сравнительно дешевых, авиационных двигателей Д-30КУ/КП, зарекомендовавших себя как самый  надежный двигатель России, который  эксплуатируется на массовых самолетах  ИЛ-62М, ТУ-154М и ИЛ-76. Общая наработка  этих двигателей превысила 36 млн. часов.

  Агрегаты выпускаются  в блочно-модульном и цеховом (станционном) исполнении и могут  эксплуатироваться при одиночной  работе, или в комплексе, с турбогенераторами  разных серий, имеющих идентичные эксплуатационные характеристики, водогрейными или паровыми котлами-утилизаторами.

  В 2005 году ГТА-6РМ вошел  в число 100 лучших товаров России, ему был официально присвоен статус «Гордость Отечества».

2. Простая газотурбинная установка непрерывного горения и устройство её основных элементов

Принципиальная схема  простой газотурбинной установки  показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальна  схема ГТУ: 1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - газовая турбина; 4 – электрогенератор

Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до определенного  давления и подает в камеру сгорания 2. Сюда же непрерывно поступает жидкое или газообразное топливо. Сгорание топлива при такой схеме происходит непрерывно, при постоянном давлении, поэтому такие ГТУ называются газотурбинными установками непрерывного сгорания или ГТУ со сгоранием  при постоянном давлении.

Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в турбину 3. В  турбине газ расширяется, и его  внутренняя энергия преобразуется  в механическую работу. Отработавшие газы выходят из турбины в окружающую среду (в атмосферу).

Часть мощности, развиваемой  газовой турбиной, затрачивается  на вращение компрессора, а оставшаяся часть (полезная мощность) отдается потребителю. Мощность, потребляемая компрессором, относительно велика и в простых  схемах при умеренной температуре рабочей среды может в 2-3 раза превышать полезную мощность ГТУ. Это означает, что полная мощность собственно газовой турбины долгий быть значительно больше полезной мощности ГТУ.

Так как газовая турбина  может работать только при наличии  сжатого воздуха, получаемого только от компрессора, приводимого во вращение турбиной, очевидно, что пуск ГТУ  должен осуществляться от постороннего источника энергии (пускового мотора), с помощью которого компрессор вращается  до тех пор, пока из камеры сгорания не начнет поступать газ определённых параметров и в количестве, достаточном  для начала работы газовой турбины.

Из приведенного описания ясно, что газотурбинная установка  состоит из трех основных элементов: газовой турбины, компрессора и  камеры сгорания. Рассмотрим принцип  действия и устройство этих элементов.

Турбина. На рисунке 2 показана схема простой одноступенчатой  турбины. Основными частями её являются; корпус (цилиндр.) турбины 1, в котором  укреплены направляющие лопатки 2, рабочие  лопатка 3, установленные по всей окружности на ободе диска 4, закрепленного на валу 5. Вал турбины вращается  в подшипниках 6. В местах выход  вала из корпуса установлены концевые уплотнения 7, ограничивающие утечку горячих  газов из корпуса турбин. Все вращающиеся  части, турбины (рабочие лопатки, диск, вал) составляют её ротор. Корпус с неподвижными направляющими лопатками и уплотнениями образует статор турбины. Диск с лопатками  образует рабочее колесо.

Рисунок 2. Схема одноступенчатой  турбины

Совокупность ряда направлявших и рабочих лопаток называется турбинной ступенью. На рисунке 3 вверху изображена схема такой турбинной  ступени и внизу дано сечение  направляющих и рабочих лопаток  цилиндрической поверхности а-а, развернутой  затем на плоскость чертежа.

Рисунок 3. Схема турбинной  ступени

Направляющие лопатки 1 образуют в сечении суживающиеся каналы, называемые соплами. Каналы, образованные рабочими лопатками 2, также обычно имеют суживающуюся форму.

Горячий газ при повышенном давлении поступает в сопла турбины, где происходит его расширение и  соответствующее увеличение скорости. При этом давление и температура  газа падают. Таким образом, в соплах турбины совершается преобразование потенциальной энергии газа в  кинетическую энергии. После выхода из сопел газ попадает в межлопаточные  каналы рабочих лопаток, где изменяет свое направление. При обтекании  газом рабочих лопаток давление на их вогнутой поверхности оказывается  большим, чем на выпуклой, и под  влиянием этой разности давлений происходит вращение рабочего колеса (направление  вращение на рисунке 3 показано стрелкой u). Таким образом, часть кинетической энергии газа преобразуется на рабочих  лопатках в механическую оказаться  недопустимей по соображениям прочности  рабочих лопаток или диска  турбины. В таких случаях турбины  выполняются многоступенчатыми. Схема  многоступенчатой турбины показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема многоступенчатой турбины: 1-подшипники; 2-концевые уплотнения; 3-входной патрубок; 4-корпус; 5-направляющие лопатки; 6-рабочие лопатки; 7-ротор; 8-выходной патрубок турбины

Турбина состоит из ряда последовательно расположенных  отдельных ступеней, в которых  происходит постепенное расширение газа. Падение давления, приходящееся на каждую ступень, а, следовательно, и  скорость с1 в каждой ступени такой  турбины, меньше, чем в одноступенчатой. Число ступеней может быть выбрано  таким, чтобы при заданной окружной скорости и было получено желаемое отношение .

Компрессор. Схема многоступенчатого  осевого компрессора изображена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема многоступенчатого  осевого компрессора: 1-входной патрубок; 2-концевые уплотнения; 3-подшипники; 4-входной  направляющий аппарат; 5-рабочие лопатки; 6-направляющие лопатки; 7-корпус 8-спрямляющий  аппарат; 9-диффузор; 10-выходной патрубок; 11-ротор.

Его основными составными частями являются: ротор 2 с закрепленными  на нем рабочими лопатками 5, корпус 7 (цилиндр.), к которому крепятся направляющие лопатки 6 и концевые уплотнения 2, и  подшипники 3. Совокупность одного ряда вращающихся рабочих лопаток и одного ряда расположенных за ними неподвижных направляющих лопаток называется ступенью компрессора. Засасываемый компрессором воздух последовательно проходит через следующие элементы компрессора, показанные на рисунке 5: входной патрубок 1, входной направляющий аппарат 4, группу ступеней 5, 6, спрямляющий аппарат 8, диффузор 9 и выходной патрубок 10.

Рассмотрим назначение этих элементов. Входной патрубок предназначен для равномерного подвода воздуха  из атмосферы к входному направляющему  аппарату, который должен придать  необходимое направление потоку перед входом в первую степень. В  ступенях воздух сжимается за счет передачи механической энергии потоку воздуха от вращающихся лопаток. Из последней ступени воздух поступает  в спрямляющий аппарат, предназначенный  для придания потоку осевого направления  перед входом в диффузор. В диффузоре  продолжается сжатие газа за счет понижения  его кинетической энергии. Выходной патрубок предназначен для подачи воздуха  от диффузора к перепускному трубопроводу. Лопатки компрессора 1 (рисунок 6) образуют ряд расширяющихся каналов (диффузоров). При вращении ротора воздух входит в межлопаточные каналы с большой  относительной скоростью (скорость движения воздуха, наблюдаемая с  движущихся лопаток). При движении воздуха  по этим каналам его давление повышается в результате уменьшения относительной  скорости. В расширяющихся каналах, образованных не-подвижными направляющими  лопатками 2, происходит дальнейшее повышение  давления воздуха, сопровождающееся соответствующим  уменьшением его кинетической энергии. Таким образом, преобразование энергии  в ступени компрессора происходит по сравнению с турбиной ступенью в обратном направлении.

Рисунок 6. Схема ступени  осевого компрессора

3. Камера сгорания

Назначение камеры сгорания заключается в повышения температуры  рабочего тела за счет сгорания топлива  в среде сжатого воздуха. Схема  камеры сгорания показана на рисунке 7.

Рисунок 7. Камера сгорания

Сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку 1, происходит в зоне горения камеры, ограниченной жаровой  трубой 2. В эту зону поступает  только такое количество воздуха, которое  необходимо для полного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называемся первичным).

Поступающий в зону горения  воздух проходит через завихритель 3, который способствует хорошему перемешиванию  топлива с воздухом. В зоне горения  температура газов достигает 1300... 2000°С. По условиям прочности лопаток  газовых турбин такая температура  недопустима. Поэтому получающиеся в зоне горения камеры горячие  газы разбавляются холодным воздухом, который называется вторичным. Вторичный  воздух протекает по кольцевому пространству между жаровой трубкой 2 и корпусом 4. Часть этого воздуха поступает  к продуктам сгорания через окна 5, а остальная часть смешивается  с горячими глазами после жаровой  трубы. Таким образом, компрессор должен подавать в камеру сгорания в несколько  раз больше воздуха, чем необходимо для сжигания топлива, а поступающие  в турбину продукты сгорания получаются сильно разбавленными воздухом и  охлажденными.

4.Простая газотурбинная установка прерывистого горения

Схема установка прерывистого горения (со сгоранием при постоянном объеме) такая же, что и для  установки с изобарным подводом теплоты, и показана на рисунке 1. Эта  ГТУ отличается от установи непрерывного горения устройством камеры сгорания (рисунок 8).

Рисунок 8. Камера прерывистого горения: 1-воздушный клапан; 2-топливный  клапан; 3-свеча зажигания; 4-сопловой (газовый) клапан.

Камера сгорания ГТУ прерывистого горения имеет клапаны 1, 2 и 4, которые  управляются особым распределительным  механизмом,

Представим себе, что в  некоторый момент времена все  клапаны закрыты, и камера заполнена  смесью воздуха и топлива. При  помощи свечи зажигания 3 смесь воспламеняется и давление в камере повышается, так как сгорание происходит при  постоянном объеме. При достижении определенного давления открывается  клапан 4 и продукты сгорания поступают  к соплам турбины, в которых происходит расширение газа. Давление в камере сгорания падает. После того, как  давление в камере упадет до определенной величины, автоматически открывается  воздушный клапан 1 и происходит продувка камеры свежим воздухом. Этот воздух проходит также через турбину  и охлаждает её лопаточный аппарат.

В конце продувки сопловой клапан 4 закрывается и камера сгорания заполняется сжатым воздухом из компрессора. При работе на газообразном топливе  в это же время через клапан 2 подается горючий газ. Этот процесс  называется зарядкой камеры. По окончании  зарядки закрываются все клапаны  и происходит вспышка. Далее цикл повторяется.

Список  используемой литературы

1.    П.Н.Шляхин. Паровые и газовые турбины. 1966.
2. Энергетическая ГТУ мощностью 180 МВт//Теплоэнергетика №5,2001.
3. Манушин Э.А. Газовые турбины: Проблемы и перспективы. –М.:             Энергоатомиздат, 1986.