Газотурбинные установки (ГТУ) парогазовых установок (ПГУ) и атомных электростанций (АЭС)
Использование газотурбинной установки совместно с паротурбинной (ПТУ) уменьшает удельный расход теплоты на выработку энергии по сравнению с отдельно работающими ГТУ и ПТУ. Такие установки называются комбинированными парогазовыми (ПГУ). Наиболее перспективны следующие схемы парогазовых установок: с низконапорным и высоконапорным котлами (НПГУ и ВПГУ), а также с подогревом питательной воды выхлопными газами.
Рис.1. Схема парогазовой установки с низконапорным котлом:
1 — генератор ГТУ, 2 — компрессор, 3 — камера сгорания,
4,7 — газовая и паровая турбины, 5 — топливоподача,
6 — котел, 8 — генератор паровой турбины, 9 — конденсатор,
10,11 — конденсатный и питательный насосы
Схема парогазовой установки с низконапорным котлом показана на рис.1. Паротурбинная установка почти не отличается от обычной. Газы из турбины ГТУ поступают в топку котла ПТУ, куда одновременно подается, топливо для их подогрева. Так как в этом случае в топку котла подаются газы повышенной температуры, расход топлива для их подогрева уменьшается, что увеличивает кпд всей установки.
Обычно мощность ГТУ парогазовой установки составляет 12-15% от мощности паровой турбины. Удельный расход теплоты НПГУ по сравнению с ПТУ меньше на 3-5%.
Рис.2. Схема парогазовой установки с высоконапорным котлом:
1,4 — газовая и паровая турбины, 2 — топливоподача, 3 — котел,
5,8 — генераторы паровой турбины и ГТУ, 6 — конденсатор,
7 — экономайзер, 9 — компрессор
Схема парогазовой установки с высоконапорным котлом показана на рис.2. Компрессор 9 подает в топку воздух под давлением 0,4—0,6 МПа. Температура газов, поступающих из топки в газовую турбину, равна 750°С. Из турбины газы поступают в экономайзер. За экономайзером их температура на 150—250°С ниже, чем после отдельной ГТУ. Средняя температура газов в котле повышается из-за наличия ГТУ в схеме паротурбинной установки (по сравнению с отдельной ПТУ). В результате кпд парогазовой установки по сравнению с отдельными ПТУ и ГТУ увеличивается; при этом на 5—8% снижается удельный расход топлива. Вследствие увеличения давления в котле его размеры уменьшаются и снижаются затраты на сооружение станции.
Одним из недостатков ПГУ является некоторое снижение надежности станции из-за усложнения тепловой схемы. Кроме того, в ПГУ с высоконапорным котлом можно применять только жидкое или газообразное топливо, так как при работе на твердых топливах негорючие частицы, содержащиеся в продуктах сгорания, вызывают эрозию лопаток газовой турбины.
Рис.3. Схема паротурбинной установки с подогревом
питательной воды выхлопными газами ГТУ:
1 — компрессор, 2 — камера сгорания, 3 — газовая турбина,
4,5 — подогреватели питательной воды, 6 — котел,
7 — паровая турбина, 8,11 — генераторы,
9 — конденсатор, 10 — питательный насос
Кроме того, ГТУ используют для подогрева питательной воды в паротурбинных установках (рис.3), отключая в часы пик регенеративные отборы паровой турбины и подогревая воду выхлопными газами газовой турбины. Выхлопные газы ГТУ поступают в подогреватель 4, через который пропускают питательную воду. В результате отключения регенерации мощность, вырабатываемая паровой турбиной, увеличивается. Дополнительную мощность вырабатывает также ГТУ. Эту схему применяют для увеличения мощности уже действующей станции без замены котла.
Рис.4. Схема замкнутой ГТУ:
1 — аккумулятор, 2 — регулятор, 3 — регенератор,
4 — атомный реактор, 5 — турбина,
6,8,12 — компрессоры низкого и высокого давления и подкачивающий,
7 — промежуточный охладитель, 9,11 — генераторы, 10 — охладитель
На атомных электростанциях (АЭС) применяют замкнутые ГТУ (рис.4). Рабочее тело сжимается в компрессоре низкого давления 6, охлаждается в промежуточном охладителе 7, сжимается в компрессоре высокого давления 8, а затем поступает в регенератор 3 и атомный реактор 4. Нагретое в атомном реакторе рабочее тело поступает в турбину 5, оттуда — в регенератор 3, а затем — в водяной охладитель 10.
Утечки восполняются подкачивающим компрессором 12, нагнетающим рабочее тело в аккумулятор 1. Через управляемый регулятор 2 рабочее тело при необходимости может подаваться в тракт ГТУ. Турбина и компрессор замкнутой ГТУ имеют небольшие размеры, так как давление в тракте ГТУ может быть значительно выше атмосферного. Однако в результате появления дополнительных агрегатов (промежуточного охладителя) замкнутые ГТУ больше по массе и размерам, чем ГТУ открытого цикла.
Достоинством замкнутых ГТУ является небольшое изменение экономичности при изменении мощности, а также отсутствие эрозии или отложений пыли в проточной части. Замкнутые ГТУ потребляют много воды для охлаждения рабочего тела в охладителе 10. Предполагается использовать замкнутые ГТУ на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, в которых гелий служит в качестве рабочего тела.
