Электростанция комбинированного цикла

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистическая Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Фаза (материя) Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Нагревать Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Сжимаемость  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Термическое расширение  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Онсагер взаимные отношения Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Возможности Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${\displaystyle U(S,V)}$ Энтальпия ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации " Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии неоднородных веществ » « Размышления о движущей силе огня » Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Другой Зарождение Самостоятельная сборка Самоорганизация Порядок и беспорядок
Категория
v т е

Электростанции комбинированного цикла представляет собой сборку из тепловых двигателей , которые работают в тандеме , из того же самого источника тепла, превращая ее в механическую энергию . На суше, когда она используется для производства электроэнергии, наиболее распространенный тип - это установка с комбинированным циклом газовой турбины ( ПГУ ). Тот же принцип используется и для морских силовых установок, где они называются парогазовыми установками (COGAS). Объединение двух или более термодинамических циклов повышает общую эффективность, что снижает затраты на топливо.

Принцип состоит в том, что после завершения своего цикла в первом двигателе рабочая жидкость (выхлоп) все еще достаточно горячая, чтобы второй последующий тепловой двигатель мог извлекать энергию из тепла в выхлопе. Обычно тепло проходит через теплообменник, поэтому два двигателя могут использовать разные рабочие жидкости.

За счет выработки энергии из нескольких потоков работы общий КПД системы можно повысить на 50–60%. То есть от общей эффективности, скажем, 34% (для простого цикла) до 64% ​​(для комбинированного цикла). ^[1] Это более 84% теоретической эффективности цикла Карно . Тепловые двигатели могут использовать только часть энергии своего топлива (обычно менее 50%), поэтому в тепловых двигателях без комбинированного цикла оставшееся тепло (т.е. горячий выхлопной газ) от сгорания тратится впустую.

Исторические циклы [ править ]

В исторически успешных комбинированных циклах использовались турбины на парах ртути , магнитогидродинамические генераторы и топливные элементы с расплавленным карбонатом , а также паровые установки для низкотемпературного «нижнего» цикла. Циклы низкотемпературного опускания были слишком дорогими из-за очень больших размеров оборудования, необходимого для обработки больших массовых потоков и небольших перепадов температур. Однако в странах с холодным климатом обычно продают воду для ГЭС для горячего водоснабжения и отопления помещений. Трубопровод с вакуумной изоляцией может обеспечить протяженность этой сети до 90 км. Такой подход называется «комбинированное производство тепла и электроэнергии» (ТЭЦ).

На стационарных и морских электростанциях широко используемый комбинированный цикл имеет большую газовую турбину (работающую по циклу Брайтона ). Горячий выхлоп турбины приводит в действие паровую электростанцию (работающую по циклу Ренкина ). Это парогазовая газотурбинная установка (ПГУ). Они обеспечивают лучший в своем классе реальный (см. Ниже) тепловой КПД около 64% ​​при работе с базовой нагрузкой. Напротив, паровая электростанция с одним циклом ограничена КПД от 35 до 42%. Многие новые электростанции используют ПГУ. Стационарные ПГУ сжигают природный газ или синтез-газ из угля . Суда сжигают мазут .

Также могут использоваться многоступенчатые турбины или паровые циклы, но установки ПГУ имеют преимущества как для выработки электроэнергии, так и для морской энергетики. Цикл газовой турбины часто может запускаться очень быстро, что дает немедленную мощность. Это позволяет избежать необходимости в отдельных дорогостоящих электростанциях или позволяет кораблю маневрировать. Со временем цикл вторичного пара нагревается, повышая эффективность использования топлива и обеспечивая дополнительную мощность.

В ноябре 2013 года Институт солнечных энергетических систем им. Фраунгофера ISE провел оценку приведенной стоимости энергии для вновь построенных электростанций в электроэнергетическом секторе Германии . Они указали, что затраты на ПГУ, работающие на природном газе, составляют от 78 до 100 евро / МВтч. ^[2] Кроме того, капитальные затраты на электроэнергию с комбинированным циклом относительно низки, около 1000 долларов США / кВт, что делает ее одним из самых дешевых типов генерации для установки. ^[3]

Базовый комбинированный цикл [ править ]

Термодинамический цикл основного комбинированного цикла состоит из двух циклов электростанции. Один - это цикл Джоуля или Брайтона, который представляет собой цикл газовой турбины, а другой - цикл Ренкина, который представляет собой цикл паровой турбины . ^[4] Цикл 1-2-3-4-1, который представляет собой цикл газотурбинной электростанции, является циклом долива. Он изображает процесс передачи тепла и работы, происходящий в области высоких температур.

Цикл abcdefa, который является паровым циклом Ренкина, имеет место при низкой температуре и известен как нижний цикл. Передача тепловой энергии от высокой температуры выхлопных газов , воды и водяного пара происходит путем рекуперации отходящего тепла котла в цикле дна. Во время процесса постоянного давления 4-1 выхлопные газы газовой турбины отводят тепло. Питательная вода, влажный и перегретый пар поглощают часть этого тепла в процессе ab, bc и cd.

Парогенераторы [ править ]

Паровая электростанция получает тепло от высокотемпературных выхлопных газов газотурбинной электростанции. ^[4] Образующийся пар можно использовать для привода паровой турбины . Котел-утилизатор (WHRB) имеет 3 секции: экономайзер, испаритель и перегреватель.

Цикл Ченг [ править ]

Цикл Ченга - это упрощенная форма комбинированного цикла, в котором паровая турбина устраняется путем впрыска пара непосредственно в турбину внутреннего сгорания. Это используется с середины 1970-х годов и позволяет утилизировать отходящее тепло с меньшей общей сложностью, но с потерей дополнительной мощности и резервирования, как в настоящей системе с комбинированным циклом. У него нет дополнительной паровой турбины или генератора, поэтому он не может использовать его в качестве резервного или дополнительного источника энергии. Он назван в честь американского профессора Д. Я. Ченга, который запатентовал дизайн в 1976 году.

Принципы дизайна [ править ]

Эффективность теплового двигателя, то есть доля подводимой тепловой энергии, которая может быть преобразована в полезную работу, ограничена разницей температур между теплом, поступающим в двигатель, и теплом выхлопных газов, покидающим двигатель.

На ТЭЦ рабочим телом является вода. Для пара под высоким давлением требуются прочные и громоздкие компоненты. Для высоких температур требуются дорогие сплавы из никеля или кобальта , а не недорогая сталь . Эти сплавы ограничивают практическую температуру пара до 655 ° C, в то время как более низкая температура паровой установки определяется температурой охлаждающей воды. С этими пределами паровая установка имеет фиксированный верхний КПД 35–42%.

Газотурбинный цикл открытого цикла включает компрессор , камеру сгорания и турбину . Для газовых турбин количество металла, которое должно выдерживать высокие температуры и давления, невелико, и можно использовать меньшие количества дорогих материалов. В этом типе цикла температура на входе в турбину (температура горения) относительно высока (от 900 до 1400 ° C). Температура дымовых газов на выходе также высока (от 450 до 650 ° C). Следовательно, этого достаточно, чтобы обеспечить тепло для второго цикла, в котором в качестве рабочего тела используется пар ( цикл Ренкина ).

В электростанции с комбинированным циклом тепло выхлопных газов газовой турбины используется для выработки пара, пропуская его через парогенератор-утилизатор (HRSG) с температурой свежего пара от 420 до 580 ° C. Конденсатор цикла Ренкина обычно охлаждается водой из озера, реки, моря или градирен . Эта температура может достигать 15 ° C.

Типичный размер [ править ]

Размер растения играет важную роль в его стоимости. Установки большего размера получают выгоду от экономии за счет масштаба (более низкая начальная стоимость киловатта) и повышенной эффективности.

Для крупномасштабной выработки электроэнергии типичной установкой будет первичная газовая турбина мощностью 270 МВт, соединенная с вторичной паровой турбиной мощностью 130 МВт, что даст общую мощность 400 МВт. Типичная электростанция может состоять из 1-6 таких комплектов.

Газовые турбины для крупномасштабной энергетики производятся как минимум четырьмя отдельными группами - General Electric, Siemens, Mitsubishi-Hitachi и Ansaldo Energia. Эти группы также разрабатывают, испытывают и / или продают газовые турбины мощностью более 300 МВт (для приложений 60 Гц) и 400 МВт (для приложений 50 Гц). Установки с комбинированным циклом состоят из одной или нескольких таких газовых турбин, каждая из которых имеет парогенератор на отходящем тепле, предназначенный для подачи пара на одну или несколько паровых турбин, образуя таким образом блок или установку с комбинированным циклом. Размеры блоков с комбинированным циклом, предлагаемые тремя крупными производителями (Alstom, General Electric и Siemens), могут варьироваться от 50 МВт до более 1300 МВт при затратах, приближающихся к 670 долл. США / кВт. ^[5]

Необжигаемый котел [ править ]

Котел-утилизатор - это позиция 5 на рисунке COGAS, показанном выше. Горячий выхлоп газовой турбины поступает в пароперегреватель , затем проходит через испаритель и, наконец, через секцию экономайзера, выходя из котла . Питательная вода поступает через экономайзер и выходит после достижения температуры насыщения в водяном или паровом контуре. Наконец, он проходит через испаритель и пароперегреватель. Если температура газов, поступающих в котел-утилизатор, выше, то температура выходящих газов также высока. ^[4]

Котел двойного давления [ править ]

Чтобы отвести максимальное количество тепла от газов, выходящих из высокотемпературного цикла, часто используется бойлер с двойным давлением. ^[4] Имеет две водяные / паровые бочки. Барабан низкого давления подключается к экономайзеру низкого давления или испарителю. Пар низкого давления образуется в низкотемпературной зоне выхлопных газов турбины. Пар низкого давления подается в низкотемпературную турбину. В контуре низкого давления может быть предусмотрен пароперегреватель.

Некоторая часть питательной воды из зоны низкого давления перекачивается в экономайзер высокого давления подкачивающим насосом . Этот экономайзер нагревает воду до температуры насыщения . Эта насыщенная вода проходит через высокотемпературную зону котла и подается в турбину высокого давления .

Дополнительная стрельба [ править ]

Котел - утилизатор может быть предназначен для сжигания дополнительного топлива после газовой турбины. Дополнительные горелки также называются канальными горелками . Горение в воздуховоде возможно, потому что выхлопные газы турбины (дымовые газы) все еще содержат некоторое количество кислорода . Температурные ограничения на входе в газовую турбину вынуждают турбину использовать избыточный воздух, превышающий оптимальное стехиометрическое соотношение, для сжигания топлива. Часто в конструкциях газовых турбин часть потока сжатого воздуха обходит горелку, чтобы охладить лопатки турбины. Выхлоп турбины уже горячий, поэтому регенеративный подогреватель воздуха не требуется, как в обычной паровой установке. Тем не менее, вентилятор свежего воздуха, дующий прямо в канал, позволяет паровой установке, работающей в канале, работать даже тогда, когда газовая турбина не может.

Без дополнительного сжигания тепловой КПД электростанции с комбинированным циклом выше. Но более гибкая работа завода делает морскую ПГУ более безопасной, позволяя судну работать с отказами оборудования. Гибкая стационарная установка может приносить больше денег. Горение в воздуховоде повышает температуру дымохода, что увеличивает количество или температуру пара (например, до 84 бар, 525 градусов Цельсия). Это повышает эффективность парового цикла. Дополнительное горение позволяет установке реагировать на колебания электрической нагрузки, потому что канальные горелки могут иметь очень хороший КПД при частичной нагрузке. Это может позволить увеличить выработку пара для компенсации выхода из строя другого агрегата. Также уголь можно сжигать в парогенераторе в качестве экономичного дополнительного топлива.

Дополнительное сжигание может повысить температуру выхлопных газов с 600 ° C (выхлоп ГТ) до 800 или даже 1000 ° C. Дополнительное обжигание не повышает эффективность большинства комбинированных циклов. Для одиночных котлов он может повысить эффективность при сжигании до 700–750 ° C; для нескольких котлов, однако, гибкость установки должна быть основным преимуществом.

«Максимальное дополнительное сжигание» - это условие, при котором максимальное сжигание топлива происходит с кислородом, имеющимся в выхлопе газовой турбины.

Топливо для электростанций комбинированного цикла [ править ]

Установки с комбинированным циклом обычно работают на природном газе , хотя можно использовать мазут , синтез-газ или другие виды топлива. Дополнительным топливом может быть природный газ, мазут или уголь. Также можно использовать биотопливо . Интегрированные солнечные электростанции комбинированного цикла комбинируют энергию, полученную от солнечного излучения, с другим топливом, чтобы сократить расходы на топливо и снизить воздействие на окружающую среду (см. Раздел ISCC ). Многие атомные электростанции следующего поколения могут использовать более высокий температурный диапазон верхнего цикла Брайтона, а также повышение теплового КПД, обеспечиваемое нижним циклом Ренкина.

Там, где продление газопровода нецелесообразно или не может быть экономически оправдано, потребности в электроэнергии в отдаленных районах могут быть удовлетворены с помощью небольших парогазовых установок, использующих возобновляемые виды топлива. Вместо природного газа они газифицируют и сжигают сельскохозяйственные и лесные отходы, которые часто легко доступны в сельской местности.

Управление низкосортным топливом в турбинах [ править ]

Газовые турбины сжигают в основном природный газ и легкую нефть. Сырая нефть, остатки и некоторые дистилляты содержат коррозионные компоненты и поэтому требуют оборудования для обработки топлива. Кроме того, отложения золы от этих видов топлива приводят к выходу газовой турбины из строя до 15%. Однако они все еще могут быть экономически привлекательными видами топлива, особенно в установках с комбинированным циклом.

Натрий и калий удаляются из остаточных, сырых и тяжелых дистиллятов путем промывки водой. Более простая и менее дорогая система очистки будет выполнять ту же работу для легкой сырой нефти и легких дистиллятов. Также может потребоваться система добавок магния для уменьшения коррозионного воздействия, если присутствует ванадий. Топливо, требующее такой обработки, должно иметь отдельную установку для обработки топлива и систему точного контроля топлива, чтобы гарантировать надежную работу газовых турбин с низкими эксплуатационными расходами.

Конфигурация [ править ]

Системы с комбинированным циклом могут иметь одновальную или многовальную конфигурацию. Также существует несколько конфигураций паровых систем.

В наиболее экономичных циклах выработки электроэнергии используется парогенератор-утилизатор тепла (HRSG) с модульными предварительно спроектированными компонентами. Эти паровые циклы без сжигания пара также имеют самую низкую начальную стоимость и часто являются частью системы с одним валом, которая устанавливается как единое целое.

Системы комбинированного цикла с дополнительным обогревом и с несколькими валами обычно выбираются для конкретных видов топлива, применений или ситуаций. Например, когенерационные системы с комбинированным циклом иногда нуждаются в большем количестве тепла или более высоких температур, а электричество является более низким приоритетом. Многоступенчатые системы с дополнительным обжигом могут обеспечивать более широкий диапазон температур или нагрев электроэнергии. Системы, сжигающие низкокачественное топливо, такое как бурый уголь или торф, могут использовать относительно дорогие гелиевые турбины с замкнутым циклом в качестве верхнего цикла, чтобы избежать еще более дорогостоящей обработки топлива и газификации, которые потребовались бы для обычной газовой турбины.

Типичная одновальная система включает одну газовую турбину, одну паровую турбину, один генератор и один парогенератор-утилизатор (HRSG). И газовая турбина, и паровая турбина соединены в тандеме с одним электрическим генератором на одном валу. Это устройство проще в эксплуатации, меньше по размеру и требует меньших затрат на запуск.

Одновальные системы могут иметь меньшую гибкость и надежность, чем многовальные системы. С некоторыми затратами есть способы повысить эксплуатационную гибкость: Чаще всего оператор желает использовать газовую турбину как пиковую установку. В этих установках вал паровой турбины может быть отключен с помощью синхронизирующей самопереключающейся муфты ^[6] для запуска или для простого цикла работы газовой турбины. Другой менее распространенный набор опций позволяет увеличить нагрев или автономную работу паровой турбины для повышения надежности: горение в воздуховоде, возможно, с вентилятором свежего воздуха в воздуховоде и муфтой на стороне вала газовой турбины.

Многовальная система обычно имеет только одну паровую систему для трех газовых турбин. Наличие только одной большой паровой турбины и радиатора дает экономию на масштабе и снижает затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. Более крупная паровая турбина также может использовать более высокое давление для более эффективного парового цикла. Однако первоначальная стоимость многовальной системы выше примерно на 5%.

Общий размер установки и соответствующее количество требуемых газовых турбин также могут определить, какой тип установки более экономичен. Набор одновальных электростанций с комбинированным циклом может быть более дорогостоящим в эксплуатации и обслуживании из-за большего количества единиц оборудования. Тем не менее, это может сэкономить процентные расходы, позволяя предприятию увеличивать производственные мощности по мере необходимости.

Паровые циклы повторного нагрева с многократным давлением применяются в парогазовых системах с газовыми турбинами с температурами выхлопных газов около 600 ° C. Паровые циклы с одним и несколькими давлениями без повторного нагрева применяются в системах с комбинированным циклом с газовыми турбинами, температура выхлопных газов которых составляет 540 ° C или ниже. Выбор парового цикла для конкретного применения определяется экономической оценкой, которая учитывает установленную стоимость установки, стоимость и качество топлива, рабочий цикл, а также интересующие затраты, бизнес-риски, а также операции и техническое обслуживание.

Эффективность [ править ]

Комбинируя газовый и паровой циклы, можно достичь высоких температур на входе и низких температур на выходе. Эффективность циклов увеличивается, потому что они питаются от одного и того же источника топлива. Таким образом, установка с комбинированным циклом имеет термодинамический цикл, который работает между высокой температурой горения газовой турбины и температурой отходящего тепла конденсаторов парового цикла. Этот большой диапазон означает, что эффективность цикла Карно высока. Фактический КПД, хотя и ниже КПД Карно, все же выше, чем у любого другого завода в отдельности. ^{[7] [8]}

Электрический КПД электростанции с комбинированным циклом, если рассчитывать как электрическую энергию, произведенную как процент от более низкой теплотворной способности потребляемого топлива, может составлять более 60% при работе новой, то есть без старости, и при постоянной мощности, что является идеальными условиями. Как и одноцикловые тепловые установки, комбинированные установки могут также поставлять низкотемпературную тепловую энергию для промышленных процессов, централизованного теплоснабжения и других целей. Это называется когенерацией, и такие электростанции часто называют теплоэлектроцентралями.

Как правило, КПД комбинированного цикла при эксплуатации превышает 50% на основе более низкой теплотворной способности и валовой выработки. Большинство установок с комбинированным циклом, особенно более крупные, имеют пиковый стационарный КПД на основе LHV от 55 до 59%.

Разница между HHV и LHV [ править ]

Этот раздел, возможно, содержит оригинальные исследования . Пожалуйста, улучшите его , проверив сделанные утверждения и добавив встроенные цитаты . Заявления, содержащие только оригинальные исследования, следует удалить. ( Январь 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Чтобы избежать путаницы, эффективность тепловых двигателей и электростанций следует указывать относительно более высокой теплотворной способности (HHV) или более низкой теплотворной способности (LHV) топлива, чтобы включать или исключать тепло, которое может быть получено от конденсации дымовых газов. . Также следует указать, учитывается ли валовая выработка на клеммах генератора или чистая выработка на ограждении электростанции.

Показатель LHV не является вычислением чистой энергии электроэнергии по сравнению с энергоемкостью входящего топлива; это на 11% больше. Показатель HHV представляет собой расчет чистой энергии электроэнергии по сравнению с энергоемкостью подаваемого топлива. Если бы подход LHV использовался для некоторых новых конденсационных котлов, то КПД был бы более 100%. Производители предпочитают указывать более высокий КПД ВНН, например 60%, для новой ПГУ, но коммунальные предприятия при расчете количества электроэнергии, которую будет вырабатывать электростанция, делят это на 1,11, чтобы получить реальный КПД ВТС, например 54%, этой ПГУ. Эффективность угольных электростанций рассчитывается на основе HHV, поскольку при сжигании угля он не имеет такого большого значения, как при сжигании газа.

Разницу между HHV и LHV для газа можно оценить (используя обычные единицы США) как 1055 BTU / Lb * w, где w - фунты воды после сгорания на фунт топлива. Чтобы преобразовать HHV природного газа, который составляет 23875 Btu / lb, в LHV (метан на 25% состоит из водорода), будет: 23875 - (1055 * 0,25 * 18/2) = 21500. Поскольку эффективность определяется делением выход энергии на входе, а ввод на основе LHV меньше, чем на основе HHV, общий КПД на основе LHV выше. Следовательно, используя соотношение 23875/21500 = 1,11, можно преобразовать HHV в LHV.

Реальный лучший в своем классе КПД ПГУ при базовой нагрузке 54%, по опыту коммунального предприятия, эксплуатирующего завод, соответствует 60% НТС, как опубликованный производителем заголовок КПД ПГУ.

Повышение эффективности [ править ]

Эффективность турбины увеличивается, когда сгорание становится более горячим, поэтому рабочее тело расширяется больше. Следовательно, эффективность ограничивается тем, сможет ли первая ступень турбинных лопаток выдержать более высокие температуры. Охлаждение и исследования материалов продолжаются. Распространенный метод, заимствованный из самолетов, - это нагнетание охлаждающей жидкости в лопатки горячей ступени турбины. Это также устраняется запатентованными способами для улучшения аэродинамической эффективности лопаток турбины. Разные производители экспериментировали с разными охлаждающими жидкостями. Воздух является обычным явлением, но все чаще используется пар. Некоторые поставщики теперь могут использовать монокристаллические лопатки турбины в горячей секции, метод, уже распространенный в двигателях военных самолетов.

КПД ПГУ и ГТ также можно повысить за счет предварительного охлаждения воздуха для горения. Это увеличивает его плотность, а также увеличивает степень расширения турбины. Это практикуется в жарком климате, а также увеличивает выходную мощность. Это достигается за счет испарительного охлаждения воды с использованием влажной матрицы, помещенной на вход турбины, или за счет использования кондиционирования воздуха с накоплением льда . Последний имеет преимущество в виде больших улучшений благодаря более низким доступным температурам. Кроме того, хранение льда может использоваться как средство управления нагрузкой или переключения нагрузки, поскольку лед может образовываться в периоды низкого спроса на электроэнергию и, возможно, в будущем ожидаемая высокая доступность других ресурсов, таких как возобновляемые источники энергии, в определенные периоды.

Технология сжигания - это патентованная, но очень активная область исследований, поскольку топливо, газификация и карбюрация влияют на эффективность использования топлива. Обычно основное внимание уделяется объединению аэродинамического и химического компьютерного моделирования для поиска таких конструкций камер сгорания, которые обеспечивают полное выгорание топлива, но при этом сводят к минимуму как загрязнение, так и разбавление горячих выхлопных газов. В некоторые камеры сгорания впрыскиваются другие материалы, такие как воздух или пар, для уменьшения загрязнения за счет уменьшения образования нитратов и озона.

Еще одно активное направление исследований - парогенератор для цикла Ренкина. Типовые установки уже используют двухступенчатую паровую турбину, повторно нагревая пар между двумя ступенями. Когда теплопроводность теплообменников может быть улучшена, эффективность повышается. Как и в ядерных реакторах, трубы можно делать тоньше (например, из более прочной или более устойчивой к коррозии стали). Другой подход может использовать бутерброды из карбида кремния, которые не подвержены коррозии. ^[9]

Также ведется разработка модифицированных циклов Ренкина. Двумя многообещающими областями являются смеси аммиака и воды ^[10] и турбины, в которых используется сверхкритический диоксид углерода. ^[11]

Современные парогазовые установки также нуждаются в программном обеспечении, которое точно настроено на каждый выбор топлива, оборудования, температуры, влажности и давления. Когда завод улучшается, программное обеспечение становится движущейся мишенью. Программное обеспечение CCGT также дорого тестировать, потому что фактическое время ограничено на многомиллионные прототипы новых CCGT заводов. Тестирование обычно имитирует необычные виды топлива и условия, но проверяет моделирование с выбранными точками данных, измеренными на реальном оборудовании.

Конкурс [ править ]

Существует активная конкуренция за повышение эффективности. Исследования, направленные на температуру на входе в турбину 1370 ° C (2500 ° F), привели к еще более эффективным комбинированным циклам.

В декабре 2017 года GE заняла 64% в своей последней ГЭС мощностью 826 МВт по сравнению с 63,7%. Они сказали, что это произошло из-за достижений в аддитивном производстве и сжигании. В их пресс-релизе говорится, что они планируют достичь 65% к началу 2020-х годов. ^[1]

В январе 2017 года Mitsubishi заявила, что КПД LHV для некоторых моделей турбин серии J превышает 63%. ^[12]

28 апреля 2016 года электростанция, управляемая Électricité de France в Бушане, была сертифицирована Книгой рекордов Гиннеса как самая эффективная в мире электростанция комбинированного цикла с показателем 62,22%. В нем используется General Electric 9HA, эффективность которого в простом цикле составляет 41,5%, а в режиме комбинированного цикла - 61,4%, с выходной мощностью газовой турбины от 397 до 470 МВт и комбинированной мощностью от 592 до 701 МВт. Его температура обжига составляет от 2600 до 2900 ° F (от 1430 до 1590 ° C), его общий перепад давления составляет 21,8: 1. ^[13]

Chubu Electric «s Ниси-ку, Нагоя электростанции 405 МВт 7HA Ожидается, что 62% валовой комбинированный КПД цикла. ^[14]

В мае 2011 года компания Siemens AG объявила о достижении КПД 60,75% с помощью газовой турбины SGT5-8000H мощностью 578 мегаватт на электростанции Иршинг . ^[15] \

При использовании газовой турбины GE H-Technology с пароперегревателем под давлением NEM 3 с использованием пара от парогенератора-утилизатора (HRSG) для охлаждения электростанции в Баглан-Бей была достигнута почти 60% КПД LHV (КПД 54% HHV). лопатки турбины.

Интегрированный цикл производства электроэнергии из природного газа и синтез-газа (водорода) [ править ]

В   интегрированном цикле выработки электроэнергии и синтез-газа ( водорода ) природного газа используются полузамкнутые (иногда называемые замкнутыми)   газотурбинные циклы ^{[16] [17] [18],} где топливо сжигается с чистым кислородом в присутствии рабочей жидкости цикла. который представляет собой смесь продуктов сгорания CO 2 и H 2 O (пар).

Интегрированный цикл подразумевает, что перед сгоранием метан (компонент природного газа) смешивается с рабочей жидкостью и превращается в синтез-газ (смесь H ₂ и CO) в каталитическом адиабатическом (без косвенной подачи тепла) реакторе с использованием явной теплоты горячее рабочее тело, выходящее, в простейшем случае, через выходное отверстие газовой турбины . Большая часть произведенного синтез-газа (около 75%) направляется в камеру сгорания газотурбинного цикла для выработки электроэнергии, но другая часть синтез-газа (около 25%) отбирается из цикла выработки электроэнергии в виде водорода , оксида углерода., или их смесь для производства химикатов, удобрений , синтетического топлива и т. д. ^{[19] [20] [21]} Термодинамические преимущества этой модификации подтверждены эксергетическим анализом. Существует множество технологических возможностей для отделения синтез-газа от рабочей жидкости и вывода его из цикла (например, конденсация паров и удаление жидкостей, отвод газов и паров с помощью мембранной и адсорбционной сепарации с переменным давлением, очистка аминового газа и дегидратация гликоля ).

Все экологические преимущества полузамкнутых газотурбинных циклов, касающиеся отсутствия NO x и выделения неразбавленного (в N 2 ) CO 2 в дымовые газы, остаются неизменными. Эффект интеграции становится очевидным при следующем пояснении. Присвоение эффективности производства синтез-газа в интегрированном цикле величиной, равной эффективности обычного производства синтез-газа посредством парового риформинга метана (некоторая часть метана сжигается для проведения эндотермического риформинга), эффективности выработки чистой энергии (с учетом потребленной электроэнергии требуется для отделения воздуха ) может достигать уровня выше 60% ^[19] при максимальной температуре цикла (на входе в газовую турбину) около 1300 ° C.

Интегрированный цикл природного газа с адиабатическим каталитическим реактором был впервые предложен на химическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова (Россия) в группе профессора М. Сафонова (покойного) М. Сафоновым, М. Грановским и С. Пожарским в 1993 г. ^{[ 20]}

Интегрированный комбинированный цикл газификации (IGCC) [ править ]

Комплексной газификации с комбинированным циклом , или КЦКГ, является энергетическая установка с использованием синтез - газа ( синтез - газа ). Синтез-газ можно производить из ряда источников, включая уголь и биомассу. В системе используются газовые и паровые турбины, причем паровая турбина работает за счет тепла, оставшегося от газовой турбины. Этот процесс может повысить эффективность производства электроэнергии примерно до 50%.

Интегрированный солнечный комбинированный цикл (ISCC) [ править ]

Интегрированный солнечный комбинированный цикл ( ККСИТЕ ) представляет собой гибрид технологии , в которой солнечное тепловое поле интегрировано в растении комбинированного цикла. На станциях ISCC солнечная энергия используется в качестве вспомогательного источника тепла, поддерживая паровой цикл, что приводит к увеличению генерирующей мощности или сокращению использования ископаемого топлива. ^[22]

Термодинамические преимущества заключаются в том, что исключаются ежедневные потери при запуске паровой турбины. ^[23]

Основными факторами, ограничивающими выходную мощность электростанции с комбинированным циклом, являются допустимые переходные процессы давления и температуры паровой турбины и время ожидания парогенератора-утилизатора для установления требуемых парохимических условий и времени прогрева для баланса установки и основных система трубопроводов. Эти ограничения также влияют на возможность быстрого запуска газовой турбины, требуя времени ожидания. А ждущие газовые турбины потребляют газ. Солнечная составляющая, если установка запускается после солнечного сияния или до нее, если есть накопление тепла, позволяет предварительно нагреть пар до требуемых условий. То есть установка запускается быстрее и с меньшим потреблением газа до достижения рабочих условий. ^[24] Экономические выгоды заключаются в том, что затраты на солнечные компоненты составляют от 25% до 75% от стоимостиУстановка солнечных энергогенерирующих систем с той же поверхностью коллектора. ^[25]

Первая такая система прийти онлайн был на Архимеда электростанции комбинированного цикла , Италия в 2010 году, ^[26] а затем Martin Next Generation Solar Energy Center в штате Флорида , и в 2011 году Kuraymat ККИС электростанции в Египте , Язде электростанции в Иране , ^{[27] [28]} Хасси Р'мель в Алжире , Айн Бени Матар в Марокко . В Австралии компания CS Energy, компания Kogan Creek, и электростанция Liddell, принадлежащая Macquarie Generation, начали строительство солнечной электростанции Френеля. наддувная секция (44 МВт и 9 МВт), но проекты так и не стали активными.

Нижние циклы [ править ]

В наиболее успешных комбинированных циклах нижним циклом мощности является обычный паровой цикл Ренкина .

В странах с холодным климатом (например, в Финляндии ) уже принято приводить в действие коммунальные системы отопления за счет тепла конденсатора паровой электростанции. Такие когенерационные системы могут дать теоретический КПД выше 95%.

Нижние циклы, производящие электроэнергию из теплового выхлопа парового конденсатора, теоретически возможны, но обычные турбины неэкономичны. Небольшая разница температур между конденсирующимся паром и наружным воздухом или водой требует очень больших перемещений массы для приведения в действие турбин.

Хотя это и не сводится к практике, вихрь воздуха может концентрировать массовые потоки для нижнего цикла. Теоретические исследования вихревого двигателя показывают, что, если он построен в большом масштабе, это экономичный нижний цикл для большой паровой электростанции с циклом Ренкина.

См. Также [ править ]

• Энергетический цикл Аллама
• Ченг цикл
• Комбинированный газ и пар
• Стоимость электроэнергии по источникам
• Парогенератор-утилизатор
• Турбогенератор с водородным охлаждением
• Комбинированный цикл интегрированной газификации

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• ISBN C039000000001, R Yadav., Sanjay., Rajay, Central Publishing House, Allahabad.
• Прикладная термодинамика ISBN 9788185444031 , R Yadav., Sanjay., Rajay, Central Publishing House, Allahabad. 
• Санджай; Сингх, Онкар; Прасад, Б.Н. (2003). «Термодинамическая оценка усовершенствованного комбинированного цикла с использованием новейшей газовой турбины». Том 3: Турбо Экспо 2003 . С. 95–101. DOI : 10.1115 / GT2003-38096 . ISBN 0-7918-3686-X.
• Санджай, Y; Сингх, Онкар; Прасад, Б.Н. (декабрь 2007 г.). «Энергетический и эксергетический анализ комбинированного цикла пароохлаждаемого промежуточного газа и пара». Прикладная теплотехника . 27 (17–18): 2779–2790. DOI : 10.1016 / j.applthermaleng.2007.03.011 .

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме генераторы комбинированного цикла .