Технология производства электроэнергии на тепловых электростанциях с газотурбинными установками

В установке ГТУ горячие выхлопные газы, образовавшиеся в камере сгорания, поступают на лопатки газовой турбины, на валу которой находится ротор синхронного генератора – рис. 3.3. Камера сгорания в цикле ГТУ является аналогом котла в цикле ПТУ. Принципиальное отличие состоит в том, что камера сгорания является неотъемлемой частью ГТУ. Это обстоятельство позволяет выполнять ГТУ более компактной, чем ПТУ.

Рис. 3.3. Технология производства электроэнергии на ТЭС с ГТУ

ЭГ – электрогенератор; ГТ – газовая турбина; К – компрессор; КС – камера сгорания

Особенность ГТУ является большой требуемый объем нагнетаемого воздуха (примерно в 100 раз больший, чем объём топлива). На одном валу с газовой турбиной и генератором находится компрессор, подающий воздух из атмосферы в камеру сгорания. Компрессор цикла ГТУ выполняет такую же функцию, что и дутьевой вентилятор в цикле ПТУ. Различие состоит в способе привода: компрессор вращается за счет турбины, а дутьевой вентилятор – с помощью асинхронного электродвигателя. Это объясняется тем, что компрессор имеет гораздо бóльшую мощность, чем дутьевой вентилятор. Мощность компрессора составляет примерно половину вырабатываемой мощности газовой турбины. На такую мощность асинхронные электродвигатели не рассчитаны.

Обычно поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока. Первый поток направляется к горелочным устройствам, куда также подается топливо (газ или жидкое топливо).

За компрессором температура воздуха составляет (300…350) °С. При сжигании топлива образуются продукты сгорания высокой температуры. К ним подмешивается относительно холодный воздух второго потока с тем, чтобы получить рабочие газы с допустимой для деталей газовой турбины температурой.

Продукты сгорания приобретают весьма высокую температуру. После подмешивания вторичного воздуха на выходе из камеры сгорания она несколько снижается, но достигает тем не менее, в типичных современных ГТУ (1350…1400) °С.

Давление в тракте ГТУ не превышает (1,3…1,7) МПа. Это еще одно серьезное отличие ГТУ от паровой турбины, в которой давление пара больше, чем давление газов в ГТУ в 10—15 раз.

Малое давление рабочей среды обусловливает малую толщину стенок корпусов и легкость их прогрева. Именно это делает ГТУ очень маневренной, т.е. способной к быстрым пускам и остановкам. Если для пуска паровой турбины в зависимости от ее начального температурного состояния требуется от одного до нескольких часов, то ГТУ может быть введена в работу за (10…15) мин.

Поскольку топливо должно поступать в камеру сгорания, где давление (1,3…1,7) МПа, то давление газа должно быть большим. Для возможности регулирования его расхода в камеру сгорания требуется давление газа примерно вдвое больше, чем давление в камере. Если в подводящем газопроводе имеется такое давление, то газ подается в камеру сгорания прямо с газораспределительного пункта (ГРП). Если давление газа недостаточное, то между ГРП и камерой устанавливают дожимной газовый компрессор.

При автономной работе ГТУ ее КПД невелик: для типичных ГТУ он составляет (34…38) %, т. е. существенно меньше, чем КПД ПТУ (38…43) %.

Как уже было сказано, газотурбинная установка при прочих равных условиях гораздо компактнее паротурбинной. С чем это связано? Прежде всего в камере сгорания ГТУ поддерживается высокое давление – в 13…17 раз большее, чем атмосферное. В котле ПТУ горение происходит при атмосферном давлении и соответственно объем образующихся горячих газов оказывается в 13…17 раз больше. Далее, в ГТУ процесс расширения газов происходит в газовой турбине, состоящей всего из 3…5 ступеней, в то время как паровая турбина, имеющая такую же мощность, состоит из 3…4 цилиндров, заключающих 25…30 ступеней. Даже с учетом и камеры сгорания, и воздушного компрессора, ГТУ мощностью 150 МВт имеет длину (8…12) м, а длина паровой турбины такой же мощности при трехцилиндровом исполнении в 1,5 раза больше. При этом для паровой турбины кроме котла необходимо предусмотреть установку конденсатора с циркуляционными и конденсатными насосами, систему регенерации из 7…9 подогревателей, питательные турбонасосы, деаэратор. Как следствие, ГТУ может быть установлена на нулевой отметке машинного зала, а ПТУ требует рамного фундамента высотой (9…16) м с размещением паровой турбины на верхней фундаментной плите и вспомогательного оборудования ­– в конденсационном помещении.

Итак, в отличие от ПТУ, цикл ГТУ является разомкнутым – рабочее тело после расширения в турбине не возвращается в цикл. После расширения в газовой турбине выхлопные газы выбрасываются в дымовую трубу и в атмосферу, унося с собой значительное количество недоиспользованной теплоты. В связи с этим блоки ГТУ не отличаются высокой экономичностью. Для того, чтобы использовать данную энергию, можно уходящие газы сбрасывать в специальный котел вместо органического топлива. Получившаяся комбинированная схема носит название парогазовой установки.