Комбинированная энергетическая установка для мини-ТЭС по выработки электроэнергии

Мини-ТЭС – энергетическая система, предназначенная для комбинированной выработки электричества и тепловой энергии. Создается, обычно, на базе газотурбинных двигателей с единичной мощностью от 100 кВт до 50 МВт. Главная особенность и преимущество Мини-ТЭС в том, что они размещаются в непосредственной близости от потребителей энергии. Для создания комбинированной энергетической установки, состоящей из газотурбинного двигателя типа АЛ-31СТ (мощностью 16 МВт) и вакуумирующего агрегата, охлаждаемого низкокипящим рабочим контуром, предлагается схема на рис. 1 [1].

Рисунок 1 – Схема комбинированной энергетической установки: КВД, КНД – компрессор высокого и низкого давления; КС – камера сгорания; 2

ТВД, ТНД – турбина высокого и низкого давления; СТ – силовая турбина; ТП – турбина перерасширения; ДК – дожимной компрессор; ТО1-2 – теплообменник-охладитель первой и второй ступени; ТД1-2 – турбодетандер; АВО1-2 – аппарат воздушного охлаждения; КН1-2 – конденсатный насос; ЭГ1-3 – электрогенератор.

Поток атмосферного воздуха через входное устройство поступает последовательно в КНД и КВД, где происходит его сжатие. Из КВД сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где поток сжатого воздуха смешивается в жаровой трубе с топливным газом, подаваемым форсунками. Образовавшаяся смесь сгорает при постоянном давлении, в результате чего образуются продукты сгорания с высокой температурой. Кинетическая энергия продуктов сгорания, при расширении на рабочих лопатках турбин высокого и низкого давления, преобразуется в механическую работу вращения роторов высокого и низкого давления. Смесь продуктов сгорания, имеющая достаточную кинетическую энергию, после ТНД поступает на силовую турбину, которая через выходной вал соединяется с основным электрогенератором. В существующем газоходе за силовой турбиной основного двигателя установлен вакуумирующий агрегат, в котором происходит дополнительное расширение продуктов сгорания на рабочих лопатках ТП до давления ниже атмосферного (около 0,05 МПа). Далее происходит охлаждение продуктов сгорания в ТО1, с использованием низкокипящего рабочего контура. Затем продукты сгорания поступают в ДК, где происходит их дальнейшее сжатие до давления выше атмосферного. На выходе из вакуумирующего агрегата продукты сгорания поступают ТО2, где происходит их охлаждение до требуемой температуры, с использованием низкокипящего рабочего контура [2].

Применение ступенчатого отвода теплоты, который может быть реализован установкой вакуумирующего агрегата различных модификаций, обеспечивающих понижение давления за силовой турбиной практически любого газотурбинного двигателя. Эффективность работы вакуумирующего агрегата зависит от температуры охлаждения продуктов сгорания перед дожимающим компрессором. Чем ниже температура продуктов сгорания, тем меньше тратится работы на его сжатие до атмосферного давления в дожимающем компрессоре [3].

Основные результаты расчетов математической модели комбинированной энергетической установки на базе газовой турбины типа АЛ-31СТ с вакуумирующим агрегатом, охлаждаемого низкокипящим рабочим контуром, представлены в таблице 1 [4].

Таблица 1

В качестве низкокипящего рабочего тела в замкнутом контуре циркуляции используется вещество метанол, которое не используется в традиционных паровых энергоустановках и имеет отличные от воды 4

теплофизические свойства. Главная отличительная особенность установок на основе органического цикла Ренкина – применение органического рабочего вещества (хладагента или химиката) вместо водяного пара. Это повышает общий КПД теплового цикла на малых мощностях и при низкой температуре источника теплоты по сравнению с классическим паровым циклом, так как температура кипения органического вещества меньше, чем у воды, что ограничивает его использование на средних и больших мощностях.

Результаты расчетов показывают, что предлагаемая комбинированная энергетическая установка на базе газовой турбины типа АЛ-31СТ с вакуумирующим агрегатом, охлаждаемого низкокипящим рабочим контуром, позволяет вырабатывать электрическую мощность на уровне 20,16 МВт с общей эффективностью 47,18% без использования дополнительного топлива и без увеличения эмиссии вредных веществ.