Особенности применения газотурбинной установки сложного цикла в составе конденсационных парогазовых установок

В 2005 г. фирма GENERAL ELECTRIC (GE) ввела в промышленную экс­плуатацию первую современную газовую турбину LMS100 с использованием технологии промежуточного охлаждения воздуха в компрессоре ГТУ. Эта ГТУ обеспечивает на сегодня самый высокий КПД в открытом цикле.

ГТУ LMS100 создана путем сочетания опробованных технологий ави­ационных двигателей CF6–80E и CF6–80C2 (основных двигателей широкофюзеляжных самолетов Boeing 747 и 767) и промышленной газовой турбины MS6001FA. Общая наработка двигателей GE CF6–80 в авиации составляет более 100 миллионов часов. Общая наработка агрегатов GE серии F в энергетической отрасли превышает 8 миллионов часов.

ГТУ LMS100 является трехвальной гибридной установкой семейства LM и состоит из компрессора низкого давления (КНД), который был разработан на базе КНД для ГТУ MS6001FA (первые шесть ступеней); центральной части авиационного типа (состоящей из компрессора высокого давления (КВД), камеры сгорания и турбины высокого давления) с увеличенным расходом воздуха; новой двухступенчатой турбины среднего давления (ТСД), которая приводит КНД, и новой пятиступенчатой свободной силовой турбины (СТ) с выходным валом, связывающим ее с генератором.

Уникальная особенность LMS100 заключается в использовании промежуточного охлаждения в пределах секции сжатия воздуха в компрессоре. Разработки в этой области начали проводиться давно. В последнее время компания GE уже успешно использовала запатентованную технологию SPRINT, предусматривающую промежуточное охлаждение рабочего тела за счет разбрызгивания парообразной среды между компрессорами низкого и высокого давления газовой турбины LM6000, одной из самых популярных конверсионных газовых турбин в диапазоне 40–50 МВт. Применение компанией GE авиационных газовых турбин с высокой степенью сжатия обеспечило необходимую базу для производства LMS100 мощностью порядка 100 МВт, с КПД в открытом цикле более 46 %. Это представляет следующий этап эволюции газовых турбин с увеличением КПД практически на 10%-ое по сравнению с другими газовыми турбинами. На рис. 1 приведены характеристики различных типов ГТУ.

Фирма GE разработала линейку ГТУ LMS100 с несколькими видами систем камеры сгорания: кольцевая камера сгорания (SAC) с водяным (w/water) или паровым (w/steam) впрыском для контроля NOX в пределах 25 ppm, а также и сухая низкоэмиссионая (DLE-2) контролирующая выбросы

NOX на уровне 25 ppm. Также на базе этой ГТУ может быть реализована технология STIG с увеличением КПД и мощности. Показатели ГТУ LMS100 при условиях ISO 2314 приведены в табл. 1.

Рис. 1. Характеристики различных типов ГТУ.

 

Таблица 1

Показатели ГТУ LMS100 с различными камерами сгорания

 

Модель Мощность, МВт Удельный расход теплоты, кДж/кВт*ч КПД, %
DLE 99 7921 45
SAC (w/water) 102,5 8247 44
SAC (w/steam) 102,2 7603 47
STIG 110,8 7263 50

 

Из табл. 1 видно, что при подавлении оксидов азота с помощью впрыска происходит некоторое увеличение мощности ГТУ, по сравнению с LMS100 с сухой камерой сгорания, за счет увеличения рабочего тела. При этом впрыск пара повышает КПД, а впрыск воды — снижает. Применение технологии STIG позволяет добиться существенного повышения электрической мощности и КПД.

В ГТУ LMS100 используется промежуточный теплообменник (интеркулер) между КНД и КВД (рис. 2).

Рис. 2. Конфигурация LMS100.
КНД — компрессор низкого давления; КВД — компрессор высокого давления;
ТВД — турбина высокого давления; ТНД — турбина низкого давления; СТ — силовая турбина

 

Система промежуточного охлаждения воздуха ГТУ LMS100 может быть двух типов: с использованием промежуточного теплообменника и вентиляторной градирни и с использованием воздухоохлаждаемого конденсатора. При промежуточном охлаждении воздуха от него отбирается порядка 25–30 МВт тепла.

Промежуточное охлаждение воздуха обеспечивает существенные преимущества циклу Брайтона, уменьшая работу сжатия компрессора высокого давления, который позволяет достигнуть более высокой степени повышения давления, таким образом увеличивая полную эффективность цикла. Степень повышения давления в цикле равна 42. Снижение температуры во входном сечении КВД позволяет увеличить расход воздуха через него, что приводит к увеличению мощности газовой турбины. Промежуточное охлаждение в компрессоре также позволят подавать более холодный воздух на охлаждение турбин, что в свою очередь дает возможность увеличить температуру перед газовой турбиной до 1380 °C.

В табл. 2 даны показатели ГТУ LMS100 c впрыском воды в камеру сгорания для подавления выбросов оксидов азота в зависимости от температуры наружного воздуха.

Таблица 2

 

Показатели ГТУ LMS100 в зависимости от температуры наружного воздуха

Температура наружного воздуха, °С -30 -15 0 15 30
Мощность ГТУ на клеммах генератора, МВт 100,4 100,7 101,4 102,5 97,1
КПД ГТУ, % 44,4 44,2 43,9 43,7 42,7
Температура газов за ГТУ, °С 385 389 398 415,0 428
Расход газов за ГТУ, кг/c 217 216 21 5 21 2 202

 

В НИЛ «ПГУ и ГТУ ТЭС» МЭИ(ТУ) были проведены исследования различных видов тепловых схем парогазовых установок. Для сравнительного анализа были выбраны три типа ГТУ: LMS100 c впрыском воды в камеру сгорания для подавления выбросов оксидов азота; ГТЭ–110; GT11N2. По каждому варианту расчеты выполнены для схем с котлом–утилизатором одного, двух и трех (с промперегревом) давлений с использованием сертифицированного программного комплекса «Thermoflow 19». Результаты приведены в табл. 3.

 

Таблица 3

Результаты расчетов тепловых схем ПГУ (условия ISO)

  LMS100 (SAC w/ water) ГТЭ-110 GT11N2
Количество контуров КУ 1 2 3 с пп. 1 2 3 с пп. 1 2 3 с пп.
Мощность ПТУ на клеммах генератора, МВт 13,2 18,6 20,9 46,2 52,9 57,3 50,2 57,0 61,9
КПД (брутто), % 49,3 51,6 52,6 49,3 51,4 53,0 49,2 51,3 52,8
КПД (нетто), % 47,5 49,7 50,6 47,9 50,0 51,5 47,9 49,9 51,3

 

КПД LMS100 значительно превышает КПД ГТЭ-110 и GT11N2, однако КПД парогазовых энергоблоков брутто находятся примерно на одном уровне. Объясняется это низким потенциалом выхлопа ГТУ LMS100, в первую очередь низкой температурой газов на выходе ГТУ. Проведенные исследования позволили выявить особенности ПГУ с использованием ГТУ LMS100. Коэффициент относительной мощности ПГУ, равный отношению мощности ГТУ к мощности блока ПГУ, выше «классического» (0,85 вместо 0,65), т. е. доля мощности, которую мы можем получить на паровой турбине, в общей мощности энергоблока мала. Эта особенность практически сравнивает рассматриваемые варианты по величине КПД ПГУ.

Следует отметить, что LMS100 дороже других ГТУ аналогичного класса мощности. Так, по данным программного комплекса «Thermoflow 19», ее цена составит 39,7 млн.$ (порядка 390 $/кВт), тогда как ГТУ GT11N2 стоит на четверть дешевле — 30,8 млн.$ (порядка 280 $/кВт). С другой стороны, паровая часть блока на базе LMS100 будет дешевле.

Исходя из всего выше сказанного, представляется более оправданным использование данной ГТУ в открытом цикле. Для использования LMS100 в циклах ПГУ необходимы тщательные технико-экономические исследования.

В. Д. Буров, А. А. Дудолин, А. В. Евланов

Московский энергетический институт (ТУ), г. Москва

Расчет термического КПД цикла ГТУ с опорой на базовые понятия

Цикл ГТУ: построение диаграмм и он-лайн расчет термического КПД