В настоящее время предельная мощность однопоточной конденсационной турбины на высокое давление не превышает 50 МВт.
5.6 Конденсационные устройства паровых турбин
Конденсационная установка предназначена для создания за паровой турбиной 1(рис. 20.7) разрежения (вакуума) с целью увеличения используемого теплоперепада и повышения термического КПД паротурбинной установки. В конденсационную установку входят конденсатор 2, циркуляционный 3 и конденсатный 4 насосы, а также устройство для отсасывания воздуха из конденсатора 5 (обычно это паровой эжектор). Отработавший пар поступает в конденсатор сверху. Соприкасаясь с поверхностью трубок, внутри которых протекает охлаждающая вода, пар конденсируется. Конденсат стекает вниз и из сборника конденсационным насосом подается в поверхностные холодильники парового эжектора, а оттуда через систему регенеративных подогревателей поступает в паровой котел.
Абсолютное давление пара в конденсаторах поддерживается в пределах 3--7кПа. Теоретически абсолютное давление в конденсаторе должно быть равно давлению насыщенного пара, соответствующему конечной температуре охлаждающей воды. Однако в действительности в конденсатор вместе с водяными парами поступает некоторое количество воздуха. Кроме того, воздух проникает через неплотности во фланцевых соединениях конденсатора и трубопроводов, поэтому давление в конденсаторе равно сумме парциальных давлений водяного пара и воздуха. Скопления воздуха ухудшают вакуум в конденсаторе, т е. увеличивают давление пара за турбиной, что снижает КПД цикла. Поэтому воздух необходимо постоянно удалять, для чего служат эжекторы. В паротурбинных установках применяются одно-, двух- и трехступенчатые эжекторы Схема одноступенчатого эжектора показана на рис. 20.8. В рабочее сопло подается свежий пар. Вытекающая из него струя, обладая большой кинетической энергией, увлекает за собой воздух с некоторым количеством пара из конденсатора. 8 диффузоре кинетическая энергия паровоздушной смеси преобразуется в энергию давления, поэтому пар из паровоз душной смеси конденсируется в холодильнике, а насыщенный паром воздух выбрасывается в атмосферу.
5.7 Газотурбинные установки (ГТУ)
Рабочий процесс ГТУ. В современных ГТУ используется цикл со сгоранием при р = const (рис. 6.5).
В состав ГТУ обычно входят камера сгорания, газовая турбина, воздушный компрессор, теплообменные аппараты различного назначения (воздухоохладители, маслоохладители системы смазки, регенеративные теплообменники) и вспомогательные устройства (маслонасосы, элементы водоснабжения и др.).
Рабочим телом ГТУ служат продукты сгорания топлива, в качестве которого используется природный газ, хорошо очищенные искусственные газы (доменный, коксовый, генераторный) и специальное газотурбинное жидкое топливо (прошедшее обработку дизельное моторное и соляровое масло).
Подготовка рабочей смеси производится в камере сгорания. Огневой объем камеры (рис. 20.9) разделяется на зону горения, где происходит сгорание топлива при температуре порядка 2000 °С, и зону смешения, где к продуктам сгорания подмешивают воздух для снижения их температуры до 750--1090 °С в стационарных турбинах и до 1400 °С -- в авиационных турбинах.
Принцип работы газовой и паровой турбин одинаков, но конструкция проточной части газовых турбин значительно проще. Они работают на относительно небольшом располагаемом теплоперепаде и поэтому имеют небольшое число ступеней.
В связи с высокой температурой продуктов сгорания детали проточной части турбин (сопла, рабочие лопатки, диски, валы) изготавливают из легированных высококачественных сталей. Для надежной работы у большинства турбин предусмотрено интенсивное охлаждение наиболее нагруженных деталей корпуса и ротора.
В реальных условиях все процессы в ГТУ являются неравновесными, что связано с потерями работы в турбине и компрессоре, а также с аэродинамическими сопротивлениями в тракте ГТУ. На рис. 20.10 действительный процесс сжатия в компрессоре изображен линией 1--2, а процесс расширения в турбине -- линией 3--4. Точками 2а и 4а отмечено состояние рабочего тела соответственно в конце равновесного адиабатного сжатия и расширения, точкой О -- параметры окружающей среды. Ввиду потерь давления во всасывающем тракте компрессора (линия 01) процесс сжатия начинается в точке1.
Таким образом, на сжатие воздуха в реальном цикле затрачивается большая работа, а при расширении газа в турбине получается меньшая работа по сравнению с идеальным циклом. КПД цикла получается ниже. Чем больше степень повышения давления р (т. е. выше р2), тем больше сумма этих потерь по сравнению с полезной работой. При определенном значении р (оно тем выше, чем больше Тз и внутренний относительный КПД турбины и компрессора, т. е. меньше потери в них) работа турбины может стать равной работе, затраченной на привод компрессора, а полезная работа -- нулю.
Поэтому наибольшая эффективность реального цикла, в отличие от идеального, достигается при определенной (оптимальной) степени повышения давления, причем каждому значению Тз соответствует свое ропт (рис. 20.11). КПД простейших ГТУ не превышает 14--18 %, и с целью его повышения ГТУ выполняют с несколькими ступенями подвода теплоты и промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха, а также с регенеративным подогревом сжатого воздуха отработавшими газами после турбины, приближая тем самым реальный цикл к циклу Карно.
ГТУ с утилизацией теплоты уходящих газов. Теплоту уходящих из ГТУ газов можно использовать для получения пара и горячей воды в обычных теплообменниках. Так, установки ГТ-25-700 ЛМЗ снабжены подогревателями, нагревающими воду в системе отопления до 150--160 °С.
Вместе с тем сравнительно высокий уровень коэффициента избытка воздуха в ГТУ позволяет сжигать достаточно большое количество дополнительного топлива в среде продуктов сгорания. В результате из дополнительной камеры сгорания после ГТУ выходят газы с достаточно высокой температурой, пригодные для получения пара энергетических параметров в специально устанавливаемом для этой цели парогенераторе. На Кармановской ГРЭС по такой схеме строится котел к блоку электрической мощностью 500 МВт.
Применение ГТУ. В последние годы ГТУ широко используются в различных областях: на транспорте, в энергетике, для привода стационарных установок и др.
Энергетические ГТУ. Газовая турбина меньше и легче паровой, поэтому при пуске она прогревается до рабочих температур значительно быстрее. Камера сгорания выводится на режим практически мгновенно, в отличие от парового котла, который требует медленного длительного (многие часы и даже десятки часов) прогрева во избежание аварии из-за неравномерных тепловых удлинений, особенно массивного барабана диаметром до 1,5 м, длиной до 15 м, с толщиной стенки выше 100 мм.
Поэтому ГТУ применяют прежде всего для покрытия пиковых нагрузок и в качестве аварийного резерва для собственных нужд крупных энергосистем, когда надо очень быстро включить агрегат в работу. Меньший КПД ГТУ по сравнению с ПСУ в этом случае роли не играет, так как установки работают в течение небольших отрезков времени. Для таких ГТУ характерны частые пуски (до 1000 в год) при относительно малом числе часов использования (от 100 до 1500ч/год). Диапазон единичных мощностей таких ГТУ составляет от 1 до 100 МВт.
ГТУ применяются также для привода электрогенератора и получения электроэнергии в передвижных установках (например, на морских судах). Такие ГТУ обычно работают в диапазоне нагрузок 30--110% номинальной, с частыми пусками и остановками. Единичные мощности таких ГТУ составляют от десятков киловатт до 10МВт. Быстрое развитие атомных энергетических установок с реакторами, охлаждаемыми, например, гелием, открывает перспективу применения в них одноконтурных ГТУ, работающих по замкнутому циклу (рабочее тело не покидает установку).
Специфическую группу энергетических ГТУ составляют установки, работающие в технологических схемах химических, нефтеперерабатывающих, металлургических и других комбинатов (энерготехнологические). Они работают в базовом режиме нагрузки и предназначены чаще всего для привода компрессора, обеспечивающего технологический процесс сжатым воздухом или газом за счет энергии расширения газов, образующихся в результате самого технологического процесса.
Приводные ГТУ широко используются для привода центробежных нагнетателей природного газа на компрессорных станциях магистральных трубопроводов, а также насосов для транспортировки нефти и нефтепродуктов и воздуходувок в парогазовых установках. Полезная мощность таких ГТУ составляет от 2 до 30 МВт.
Транспортные ГТУ широко применяются в качестве главных и форсажных двигателей самолетов (турбореактивных и турбовинтовых) и судов морского флота. Это связано с возможностью получения рекордных показателей по удельной мощности и габаритным размерам по сравнению с другими типами двигателей, несмотря на несколько завышенные расходы топлива. Газовые турбины весьма перспективны как двигатели локомотивов, где их незначительные габариты и отсутствие потребности в воде являются особенно ценными. Транспортные ГТУ работают в широком диапазоне нагрузок и пригодны для кратковременных форсировок.
Единичная мощность ГТУ пока не превышает 100МВт, а КПД установки 27--37 %. С повышение начальной температуры газов до 1200 °С мощность ГТУ будет доведена до 200 МВт и КПД установки до 38--40 %.
5.8 Турборасширительные машины
Турборасширительные машины представляют собой газовые турбины, предназначенные для охлаждения газа за счет совершения им технической работы. Они применяются главным образом в технике сжижения и разделения газов (турбодетандеры) и кондиционирования воздуха (турбохолодильники).
В результате массового перевода доменных печей на работу с повышенным давлением газа под колошником появилась возможность использования потенциальной энергии доменного газа. Доменный газ, имеющий давление 0,25-- 0,3 МПа, расширяется в специальной газовой турбине до давления около 0,11 МПа, еще достаточного для транспортировки его потребителю. Мощность, развиваемая такой турбиной, зависит от количества доменного газа, его начального давления и температуры. Например, выход доменного газа из домны объемом 1400м3 достигает 250 000 м3/ч; мощность, развиваемая турбиной при давлении газа 0,25 МПа и температуре 500 °С, составит около 12 000 кВт. Конструкция турбины мало отличается от описанных выше.
В технике сжижения и разделения газов наиболее широкое применение нашли радиальные Турборасширительные машины (рис. 20.12), в которых поток сжатого газа направлен от периферии к центру по радиусу. Основными рабочими элементами являются неподвижный сопловый направляющий аппарат, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую, и вращающееся рабочее колесо, в котором кинетическая энергия газа преобразуется в работу, передаваемую на вал.
Главным преимуществом радиальных турбин перед осевыми является большой перепад давлений, срабатываемый в одной ступени. Поэтому расширительные
турбины обычно удается сделать одноступенчатыми, что упрощает конструкцию.
Радиальные расширительные машины имеют производительность от 0,03 до 15 кг/с и отношение начального давления к конечному от 4 до 30 Частота вращения вала достигает 2500 1/с (150 000 об/мин).
Одноступенчатая радиальная реактивная расширительная машина впервые была предложена академиком П. Л. Капицей для систем глубокого охлаждения газов в 1931 г.
6. Технологические схемы АЭС
6.1 АЭС с водо-водяными энергетическими реакторами
Водо-водяные энергетические реакторы получили наибольшее распространение из-за своей компактности и относительно простой и надежной конструкции. В настоящее время на АЭС применяют реакторы ВВЭР-440 и ВВЭР-1000.
Принципиальная технологическая схема блока АЭС с реактором ВВЭР-440 показана на рис. 1. Тепловая схема блока -- двухконтурная. Обычная некипящая вода, используемая в качестве теплоносителя и замедлителя, циркулирует под давлением 7--16 МПа (в зависимости от типа реактора), создаваемым главным циркуляционным насосом (ЩН) 3, в результате этого осуществляется перенос тепловой энергии от реактора 1 к парогенератору 4. Высокое давление теплоносителя возможно только при размещении активной зоны реактора внутри защитного стального корпуса.
Для повышения надежности и безопасности работы АЭС тепло-отвод от активной зоны реактора выполняют в виде нескольких самостоятельных циркуляционных петель. Например, первый радиоактивный контур реактора ВВЭР-440 имеет шесть петель. Увеличение числа циркуляционных петель усложняет конструкцию, технологическую схему и создает трудности в эксплуатации, следовательно, увеличиваются капитальные вложения в установку. Более перспективной является четырехпетлевая схема охлаждения реактора ВВЭР-1000.
Первый радиоактивный контур помимо циркуляционного контура имеет вспомогательные системы: компенсации температурных изменений объема теплоносителя, его подпитки и очистки; охлаждения бассейна перегрузки и выдержки; управления и защиты реактора; борного регулирования; аварийного расхолаживания реактора и снижения давления в защитной оболочке; дегазации теплоносителя и снижения взрывоопасной концентрации водорода.
Использование ГЦН с большими маховыми массами позволяет перейти на режим естественной циркуляции теплоносителя в первом контуре при потере питания в системе собственных нужд (СН) станции, так как увеличивается время выбега агрегата и не обязательно использовать энергию выбега турбогенераторов.