Методы повышения тепловой и экологической эффективности энергоустановок с газовыми турбинами



Энергетика является одной из основной отрасли, которая влияет на состояние всей экономики. Также она является одной из основных потребителей первичных энергоресурсов и оказывает большое влияние на окружающую среду.

В современных условиях рациональное использование топливно-энергетических ресурсов становится одним из важнейших направлений в развитии промышленности России. Большое количество исследований проводится в области энергосбережения и защиты окружающей среды. В частности, использование низкопотенциальной теплоты продуктов сгорания топлива для выработки электрической энергии и уменьшения вредных выбросов путем вымораживания части диоксида углерода из продуктов сгорания топлива.

Газотурбинные установки. Современными энергоустановками ТЭС являются паротурбинные установки (ПТУ), газотурбинные установки (ГТУ) и парогазотурбинные установки.

Паротурбинные установки на ТЭС являются наиболее распространёнными, ввиду того, что энергетика владеет большим опытом по их созданию и эксплуатации. Преимуществами паровая турбины являются то, что производится она в очень широком диапазоне мощностей, обладает высокой надёжностью и экономичностью. Однако паровая турбина поставляется отдельными элементами поэтому монтаж данных элементов занимает значительное время.

Рассмотрим более подробно газотурбинные установки, так как именно они затронуты в статье. В Установках данного типа увеличение температуры подводимой в цикл Брайтона теплоты с целью повышения экономичности решается легче, так как в качестве рабочего тела применяется продукты сгорания топлива с меньшим давлением, чем у пара. Огромный вклад в исследование эффективности ГТУ, способов её повышения внесли Ложкин А. Н., Зысин В. А., Андрющенко и т. д.

Как и в любой установке у ГТУ есть и преимущества, и недостатки.

Компактность является одним из важнейших преимуществ, так как отсутствует котёл, сжигание топлива происходит при высоком давлении. Ввиду компактность газотурбинную установку возможно доставлять автомобильным транспортом.

В установке отсутствует конденсатор и сложные технологические элементы. Поэтому 1 кВт установленной мощности на газотурбинной электростанции намного меньше, чем у ПТУ.

Высокая манёвренность также является преимуществом.

К недостаткам же можно отнести высокую стоимость используемого топлива.

Установки для комплексного получения теплоты и твердого диоксида.Важным пунктом работы является вымораживание твердого диоксида углерода (СО2, «сухой» возможности получения низких температур, большой объемной и массовой холодопроизводительности, отсутствием влаги при переходе из твердого вещества в газообразное). Он находит широкое применение из-за простоты своего использования, возможности получения низких температур, большой объемной и массовой холодопроизводительности, отсутствием влаги при переходе из твердого вещества в газообразное.

В условиях научного и технического прогресса значительное снижение расхода топливно-энергетических ресурсов и снижение вредных выбросов в окружающую среду стало как никогда актуальной проблемой современности. Остро стоят вопросы энергоэффективного сжигания природного газа, мазута, и других видов органического топлива. Сейчас на теплоэлектростанциях, которые работают на природном газе, мазуте, угле отходы от его сжигания в пять раз превышают массу использованного топлива [1].

В окружающую среду вместе с продуктами сгорания топлива выбрасывается зола, в которой содержится в различных пропорциях огромное количество разнообразных химических веществ, продукты неполного сгорания топлива, диоксид углерода, окислы серы, азота и другие вещества, угрожающие нормальной жизни и здоровью человека. Так же в окружающую среду выбрасывается большое количество теплоты в виде горячих газов и подогретой воды. Все вышеперечисленное является общей проблемой почти всех энергетических установок не только в нашей стране, но и в мире.

Решением выше изложенных проблем может стать внедрение установок для комплексного получения теплоты и твердого диоксида углерода. С помощью таких установок можно не только уменьшить вредные выбросы в атмосферу, но и получать твердый СО2 для промышленных и хозяйственных нужд. При получение «сухого льда» и теплоты в комплексе экономия топлива может составить до 40 % от затрат топлива при раздельном их получение [2].

Задача нашего исследования состоит в нахождении оптимальных режимов работы установки для комплексного получения теплоты и твердого СО2, и минимизации выбросов вредных веществ в окружающую среду.

В последние время ученые по всей планете озадачены проблемой парникового эффекта, причиной которого является чрезвычайно большие выбросы СО2 в атмосферу 80 % которых связанно со сжиганием органических топлив. Разработка новых технологий и способов уменьшения таких выбросов является приоритетной задачей для мирового научного сообщества.

Существует немало методов улавливание СО2 в мировой практике.

1. Абсорбционно-десорбционный (при таком способе с использованием алканоламина требуется повышение расхода топлива на единицу отпускаемой энергии в 1,3–1,4 раза больше, что приводит к снижению КПД примерно на 11 %).
2. Вымораживание диоксида углерода из дымовых газов (при этом если улавливать 90 % СО2 КПД снижается на 12 %).
3. Метод с использованием извести в топках кипящего слоя (при температуре до 800 0С углерод вступает в реакцию с СаО и получается СаСО3, но для этого требуется СаО в 4 раза больше чем угля, и полезная теплота используется только на 15 %) [3].

Все способы, описанные выше приводят к значительному снижению КПД и при практическом использование фактически не обеспечивают потребности по уменьшению выбросов диоксида углерода в окружающую среду.

Существенно иная эффективность будет достигаться при применении в энергетике установок для комплексного получения теплоты, электричества и холода в виде кристаллического СО2 (рис. 1).

Принцип работы такой установки заключается в подготовке продуктов сгорания топлива к их переработке. На первом этапе происходит процесс очистки от золы в скруббере и отделении влаги в первом влагоотделители. Второй этап — это повышение давления в компрессоре, и охлаждение в промежуточном холодильнике, и удаление из ПСТ влаги при помощи второго влагоотделителя. На третьем этапе продукты сгорания топлива проходят через регенеративный теплообменник, в котором их температура уменьшается до температуры перехода диоксида углерода из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое, и далее уже поступают в турбодетандер, в котором происходит расширение ПСТ и кристаллизация СО2, а в сепараторе уже происходит его отделение шнековыми или другими устройствами.

Когда произошло охлаждение продуктов сгорания топлива и расширение в турбодетандере уходящие газы уже не являются греющим агентов, а являются рабочем веществом или даже холодильным агентом, за счет того, что их температура после этого значительно снизилась и приблизилась к температуре окружающей среды. Вследствие этого отсутствуют потери тепла в окружающую среду с уходящими газами.

Рис. 1. Установка для производства СО2 с турбодетандером: К — котельная; ДХ — дымоход; СК — скруббер; ВО1, ВО2 — влагоотделитель; Ком — компрессор; ПХ — промежуточный холодильник; Р — регенератор; ТД — турбодетандер; ЭГ — электрогенератор; С — сепаратор

Экологический эффект от применения таких установок очень высок, так как сопряжен с понижением загрязнения окружающей среды, а именно из-за понижения теплопотерь и существенному снижению выбросов в окружающую среду СО2.

У данной установке не только большой экологический эффект, но и практическая польза от выработки диоксида углерода. Он является важным технологическим продуктом, которой находит применение не только в промышленности, но и во многих сферах народного хозяйства. В России 40 % жидкого и 20 % твердого СО2 производятся с помощью специального сжигания топлива. Установки для комплексного получения теплоты и твердого диоксида углерода позволят экономить топливо на выработки твердого СО2. Следовательно, исследование и реализация таких установок по вымораживанию диоксида углерода из продуктов сгорания топлива приведет к улучшению экологических и экономических показателей энергетических установок в нашей стране [4].

Методы повышения эффективности ГТУ. Шапожников В. В. в своей диссертации [1] повышает эффективность путём совершенствования схем и оптимизации параметров.

Существуют следующие методы повышения эффективности энергоустановок с газотурбинными установками:

1. Увеличение начальной температуры газов перед турбиной, благодаря чему повышается КПД установки. Это наиболее распространённый и наиболее перспективный метод.
2. Использование более совершенных конструкционных решений:

1. жаростойких сталей и сплавов;
2. термозащитных покрытий лопаток;
3. эффективной системы охлаждения лопаток.

3. Установка регенераторов, что позволяет снизить расход топлива и тем самым увеличить КПД энергоустановки. Но сами регенераторы довольно громоздки. Данная проблема решается путём использования напорной регенерации, дающая возможность повышения тепловой экономичности и сокращения поверхности теплообмена на 20–30 %.
4. Увеличение работы расширения путём усложнения схем.

Вывод. В работе рассмотрены преимущества и недостатки применения газотурбинных установок. Исследованы установок для комплексного получения теплоты и твердого диоксида углерода несет важный характер для защиты окружающий среды от вредных выбросов. Ее применение приводит к повышению энергоэффективности, за счет объединения двух процессов в один, а так к же к уменьшению затрат на производство твердого СО2 для производственных нужд. Рассмотрены основные методы повышения эффективности ГТУ.

Литература:

1. Галдин В. Д. Разработка элементов теории и анализ процессов расширения парогазовой смеси в турбодетандере [Текст]: диссертация докт. техн. наук: 05.04.04: защищена: 1998год. / Галдин Владимир Дмитриевич. — Омск, 1998. — 410 стр.
2. Дорохин В. П. Перспективы применения детандер-генераторных агрегатов в топливно-энергетическом комплексе России [Текст] / В. П. Дорохин // Промышленный Сервис. — 2012. — № 4. С. 18–22
3. Кондратьев Н. В. Коагуляция частиц твердого диоксида углерода при расширении продуктов сгорания топлива в турбодетандере [Текст]: диссертация канд. техн. наук: 05.04.03: защищена: 2004 год. / Кондратьев Николай Викторович. — Омск, 2014. — 124 стр.
4. Андреев А. Р. Использование детандер-генераторных технологий как способ повышения эффективности работы котельных [Текст]: диссертация канд. техн. наук: 05.14.04: защищена: 2007год. / Андреев Александр Рудольфович. — Москва, 2007. — 145 стр.
5. Шапошников В. В. Повышение эффективности ГТУ путём совершенствования тепловых схем и оптимизация параметров [Текст]: диссертация канд. техн. наук: 05.04.14: защищена: 2015год. / Шапошников Валентин Васильевич. — Краснодар, 2015. — 178 стр.