Технология впрыска пара в камеру сгорания двигателя (ПГУ-STIG)

Цикл работы ГТУ, в которых происходит смешивание двух рабочих тел (продуктов сгорания и водяного пара), на Западе получил название STIG (Steam Injection Gas).Под энергетическим впрыском понимают подачу в камеру сгорания ГТУ большого количества пара – от 10 до 25 % от расхода воздуха через газо-воздушный тракт двигателя, что обеспечивает рост к.п.д. на 25 - 60 % и мощности установки на 50 - 90 %.По технологии "STIG" пар впрыскивается в камеру сгорания непосредственно через форсунки и (или) подмешивается к вторичному воздуху. Поскольку пар вводится в зону активного горения топлива, резко снижается выделение оксидов азота NO_x. Кроме того, пар может водиться и в турбину низкого давления.Парогазовая установка смешения, с впрыском пара в камеру сгорания (по схеме STIG), является альтернативной обычной ПГУ, имеющей пароводяной контур. Она проще по устройству и имеет отличие в том, что в ее комплект не входят конденсационная паровая турбина с конденсатором и соответствующая система охлаждения. Один из вариантов исполнения ПГУ смешения представлен на рис. 6.5.

Рисунок 6.5 – Принципиальная схема ПГУ смешения [99]: 1 – компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – турбина высокого давления – привод компрессора; 4 – силовая турбина; 5 – электрогенератор (или нагнетатель); 6 – котел – утилизатор; 7 – предвключенная противодавленческая паровая турбина, из которой пар поступает в камеру сгорания ГТУ; 8 – дымосос (устанавливается в отдельных случаях)

Противодавленческая турбина 7 приводится в действие паром высоких параметров, выработанного в котле – утилизаторе 6, и позволяет использовать большой перепад энтальпий пара. В результате, она вырабатывает крутящий момент на валу и является приводом либо для нагнетателя, либо для электрогенератора.

Мéньшая часть отработанного пара после паровой турбины через фронтовые устройства (горелки) вводится в зону горения для подавления образования оксидов азота. Основная часть отработанного пара используется для охлаждения жаровой трубы камеры сгорания 2 и смешивается с продуктами сгорания уже по завершению процесса горения, обеспечивая при этом расчетные среднюю температуру и поле скоростей на выходе камеры сгорания. Эффективно также использование пара для охлаждения горячих венцов турбины 3,4 вместо компримированного воздуха.Существует также технология "STIG" с насосной подачей питательной воды в котел – утилизатор, из которого она, в паровой фазе, поступает в систему. Увеличение мощности ПГУ смешения достигается, в основном, за счет утяжеления рабочего тела (впрыск пара в камеру сгорания) и, в результате этого, повышения давления за счет дополнительного рабочего тела (при отсутствии дополнительных затрат мощности на привод компрессора). Кроме этого, эффект повышается за счет замены воздушного охлаждения лопаток и камеры сгорания на более эффективное охлаждение – паровое. ПГУ смешения обладают определенными преимуществами. При одинаковой мощности энергоблока и повышенных капвложениях в систему химводоочистки, оборудование ПГУ смешения проще, и удельные капиталовложения меньше на 15 – 17 %, чем у обычной ПГУ. Это приводит к снижению на 7…8 % стоимости электроэнергии и определяет ее перспективность. Газотурбинные установки с энергетическим впрыском пара обладают рядом преимуществ перед ПГУ и конденсационными турбинами, основными из которых являются:

- простота, так как отсутствует паровая турбина, конденсатор и пр. оборудование пароводяного контура; - значительно меньший, чем в паровых турбинах расход топлива (на 15 – 25 %); - широкий диапазон рабочих нагрузок, который обеспечивается различным количеством подводимого пара; - снижение в 2 – 8 раз выбросов в атмосферу вредных веществ; - примерно в 2 раза меньше, по сравнению с ПГУ, стоимость установленного кВт мощности; - меньше, чем в конденсационных электростанциях, стоимость 1 кВт выработанной энергии; - срок окупаемости сокращается до 2 – 3 –х лет при сокращении сроков строительства и необходимых площадей.

15. Технология регенерации воды в цикле. Установки типа "Водолей"

При работе ГТУ по циклу STIG пар, после срабатывания в проточной части газотурбинного двигателя, вместе с выхлопными газами безвозвратно теряется: уходит в атмосферу. Цикл разомкнут, а потому недостаточно эффективен. Эффективность установки повышается, если для улавливания влаги на выходе котла – утилизатора установить конденсатор контактного типа КК (рис. 6.15).

В контактном конденсаторе, установленном на выхлопном патрубке котла-утилизатора, за счет орошения водой происходит охлаждение выхлопных газов до температуры ниже точки росы водяного пара, осаждение воды и сбор конденсата. Собранная вода поступает в бак-накопитель, очищается от примесей и подается снова в котел-утилизатор.

Из серии установок, работающих без регенерации воды в термодинамическом цикле у нас хорошо известны установки КГПТУ схемы "Водолей". Это контактные газопаротурбинные установки с утилизационным парогенератором (котлом – утилизатором), подачей сгенерированного пара в камеру сгорания и улавливанием водяного пара в конденсаторе парогазового потока.

Рисунок 6.6 - Контур контактного конденсатора:

1 – контактный конденсатор; 2 – конденсатор; 3 – насос

Опытный образец ПГУ – stig "Водолей" конструкции "Машпроект" (г. Николаев, Украина) мощностью 25 МВт отработал на заводском стенде с выдачей мощности в энергосистему более 8000 ч. (2001 г.).

В установках типа "Водолей" пар выделяется из выхлопных газов и возвращается в цикл в виде конденсата вода для повторного использования. Установка работает по замкнутому циклу.