Кіріспе

Бір жылу көзінен қатар жұмыс істейтін жылу қозғалтқыштарының жиынтығы. Комбинированный циклды электр станциясы – бір жылу көзінен қатар жұмыс істейтін жылу қозғалтқыштарының жиынтығы, олар оны механикалық энергияға айналдырады. Құрлықта электр энергиясын өндіру үшін қолданылғанда ең көп таралған түрі – газбен жұмыс істейтін электр станциясының түрі болып табылатын біріктірілген циклді газ турбинасы (CCGT) станциясы деп аталады. Осы принцип теңіз көлігінде де қолданылады, онда ол газ және будың біріктірілген қондырғысы (COGAS) деп аталады. Екі немесе одан көп термодинамикалық циклдерді біріктіру жалпы тиімділікті жақсартады, бұл отын шығындарын азайтады. Принцип мынада: бірінші қозғалтқышта цикл аяқталғаннан кейін жұмыс сұйықтығы (көгалсынды газ) әлі де жеткілікті түрде ыстық болады, сондықтан екінші жылу қозғалтқышы одан энергия ала алады. Әдетте жылу жылу алмастырғыш арқылы өтеді, соның арқасында екі қозғалтқыш әртүрлі жұмыс сұйықтықтарын пайдалана алады. Көптеген жұмыс ағындарынан қуат өндіру арқылы жалпы тиімділікті 50–60% дейін арттыруға болады. Яғни, мысалы, қарапайым цикл үшін жүйенің жалпы тиімділігі 34% болса, біріктірілген цикл үшін турбинаның өзінде белгілі жағдайларда 64% дейін жетеді.

Тарихи циклдер

Тарихи тұрғыдан сәтті біріктірілген циклдарда сынап бу турбиналары, магнитогидродинамикалық генераторлар және балқытылған карбонатты отын ұяшықтары, ал төмен температуралық "төменгі" цикл үшін бу станциялары қолданылған. Өте төмен температуралық төменгі циклдар үлкен массалық ағындарды және аз температура айырмашылықтарын басқаруға қажетті жабдықтардың өте үлкен көлемдеріне байланысты тым қымбат болды. Дегенмен, салқын климатта жылу электр станциясының ыстық суын ыстық сумен және кеңістікті жылыту үшін сату кең таралған. Вакуумдық изоляцияланған құбырлар бұл пайдалы қызметті 90 км-ге дейін жеткізуге мүмкіндік береді. Бұл тәсіл "жылу және электр энергиясын біріктіру" (ЖЭҚ) деп аталады. Стационарлық және теңіздік электр станцияларында кеңінен қолданылатын біріктірілген цикл үлкен газ турбинасын (Брейтон циклы бойынша жұмыс істейді) қамтиды. Турбинаның ыстық газ шығарылымы бу электр станциясын қуаттандырады (Ранкин циклы бойынша жұмыс істейді). Бұл газ турбиналық біріктірілген циклды (ГТБЦ) станциясы болып табылады. Олар базалық жүктемеде жұмыс істегенде 64% шамасындағы ең жақсы кластың нақты (төменде қараңыз) жылу тиімділігіне жетеді. Ал бір циклды бу электр станциясы 35-42% тиімділікпен шектелген. Көптеген жаңа электр станциялары ГТБЦ-ді пайдаланады. Стационарлық ГТБЦ табиғи газды немесе көмірден алынған синтез газын жағады. Кемелер отын майын жағады. Көп сатылы турбиналар немесе бу циклдары да қолданылуы мүмкін, бірақ ГТБЦ станциялары электр энергиясын өндіру және теңіздік қуат үшін артықшылықтарға ие. Газ турбинасының циклы көбінесе өте жылдам іске қосылады, бұл дереу қуатты қамтамасыз етеді. Бұл жеке қымбат шыңдық станциялардың қажеттілігін жояды немесе кемеге маневр жасауға мүмкіндік береді. Уақыт өте келе екінші бу циклы жылынады, отын тиімділігін жақсартады және қосымша қуатты қамтамасыз етеді. 2013 жылдың қарашасында Фраунгофер институтының күн энергиясы жүйелері ISE Германияның электр энергетика секторындағы жаңадан салынған электр станцияларының энергияның деңгейленген құнын бағалады. Олар табиғи газбен жұмыс істейтін ГТБЦ станциялары үшін 78-100 €/МВт⋅сағ шығынды көрсетті. Сонымен қатар, біріктірілген циклды қуатты өндірудің капиталдық шығындары салыстырмалы түрде төмен, шамамен 1000 доллар/кВт, бұл оны орнату үшін ең арзан генерация түрлерінің біріне айналдырады.

Комбинияланған негізгі цикл

Негізгі біріктірілген циклдің термодинамикалық циклі екі электр станциясы циклінен тұрады. Бірі – газ турбинасы циклы болып табылатын Джоуль немесе Брейтон циклы, ал екіншісі – бу турбинасы циклы болып табылатын Ранкин циклы. Газ турбиналық электр станциясының 1 2 3 4 1 циклы – топырап тұратын цикл. Ол жоғары температуралық аймақтағы жылу мен жұмыс алмасу процесін көрсетеді. Ранкин бу циклы болып табылатын a b c d e f a циклы төмен температурада жүзеге асырылады және түпкі цикл деп аталады. Түпкі циклдағы қалдық жылуды қайта пайдалану қазанында жоғары температуралы газды түйіндеуден су мен буға жылу энергиясы беріледі. Тұрақты қысымдағы 4 1 процесінде газ турбинасынан шығатын газдар жылуды бөліп шығарады. Тасымалдау суы, қаныққан және қыздырылған бу a b, b c және c d процесінде осы жылудың бір бөлігін сіңіреді.

Бу генераторлары

Бу электр станциясы жылуын газ турбиналық электр станциясының ыстық газ шығарындыларынан алады.

Құрылыс қағидалары

Жылу қозғалтқышының тиімділігі, кіріс жылу энергиясының пайдалы жұмысқа айналатын үлесі, қозғалтқышқа кіретін жылу мен қозғалтқыштан шығатын жылудың температуралық айырмасымен шектеледі. Жылу электр стансасында су жұмыс денесі ретінде қолданылады. Жоғары қысымды бу үшін мықты, көлемді құраулар қажет. Жоғары температуралар үшін арзан болаттың орнына никель немесе кобальттан жасалған қымбат қорытпалар қажет. Бұл қорытпалар будың практикалық температурасын 655 °C-қа дейін шектейді, ал бу станциясының төменгі температурасы салқындату суының температурасымен анықталады. Осы шектеулерге байланысты, бу станциясының максималды тиімділігі 35–42% құрайды. Ашық циклды газ турбинасының циклында компрессор, жану камерасы және турбина болады. Газ турбиналары үшін жоғары температура мен қысымға төтеп беретін металл мөлшері аз, сондықтан қымбат материалдарды аз көлемде пайдалануға болады. Бұл циклда турбинаға кіретін температура (жану температурасы) салыстырмалы түрде жоғары болады (900–1400 °C). Газдың шығарылатын температурасы да жоғары (450–650 °C). Осы температура жұмыс сұйықтығы ретінде буды пайдаланатын екінші циклге (Ранкин циклі) жылу беруге жеткілікті. Біріктірілген циклдік электр стансасында газ турбинасының түтінінің жылуы, жылуды қайтару бу генераторы (ЖҚБГ) арқылы өте отырып, 420 және 580 °C аралығындағы температурада бу шығаруға пайдаланылады. Ранкин циклының конденсаторы көбінесе көлден, өзеннен, теңізден немесе салқындату мұнараларынан алынған сумен салқындатылады. Бұл температура 15 °C-қа дейін төмендеуі мүмкін.

Үлгілік өлшемі

Өсімдіктің мөлшері зауыттың құны үшін маңызды. Ірі өлшемдегі қондырғылар масштабтық экономиядан (киловаттқа шаққандағы бастапқы құнның төмендеуі) және тиімділіктің артуынан пайда көреді. Ірі көлемде электр энергиясын өндіру үшін, әдеттегі жиынтық – 270 МВт негізгі газ турбинасы мен 130 МВт екінші бу турбинасынан тұрады, олардың жалпы қуаты 400 МВт құрайды. Типикалық электр станциясында мұндай жиынтықтардан 1-ден 6-ға дейін болуы мүмкін. Ірі көлемде электр энергиясын өндіруге арналған газ турбиналарын кем дегенде төрт жеке компания өндіреді: General Electric, Siemens, Mitsubishi Hitachi және Ansaldo Energia. Бұл компаниялар сондай-ақ 300 МВт-тан жоғары (60 Гц қолданысына арналған) және 400 МВт-тан жоғары (50 Гц қолданысына арналған) газ турбиналарын әзірлеп, сынақтан өткізіп және/немесе сатуда. Комбиналды циклдық қондырғылар бір немесе бірнеше газ турбиналарынан тұрады, олардың әрқайсысы бір немесе бірнеше бу турбиналарына бу жеткізуге арналған қалдық жылу бу генераторымен жабдықталған, осылайша комбиналды циклдық блок немесе қондырғы құрылады. Үш ірі өндіруші (Alstom, General Electric және Siemens) ұсынатын комбиналды циклдық блоктардың мөлшері 50 МВт-тан 1300 МВт-тан астамға дейін, ал құны шамамен 670 доллар/кВт-қа жетеді.

Жалынсыз қазандық

Жылуды қалпына келтіру қазандығы жоғарыда көрсетілген COGAS суретінің 5-элементі болып табылады. Ыстық газ турбинасының түтіндері супер жылытқышқа енгізіледі, содан кейін буландырғыштан өтеді және қазаннан шығарда экономизер бөлімінен өтеді. Қоректендіру суы экономизер арқылы кіреді, содан кейін су немесе бу контурында қанығу температурасына жеткеннен кейін шығады. Соңында ол буландырғыш және супер жылытқыш арқылы ағып өтеді. Егер жылуды қалпына келтіру қазандығына кіретін газдардың температурасы жоғары болса, шығатын газдардың температурасы да жоғары болады. Газ турбинасын іске қосу немесе қарапайым циклмен жұмыс істеу үшін. Тағы бір сирек кездесетін опциялар жиынтығы бу турбинасының жеке жұмысын немесе көбірек жылуды пайдалану арқылы сенімділікті арттыруға мүмкіндік береді: құбырлы жағу, мүмкін, құбырдағы таза ауа сорғышы және газ турбинасы білігінің жағындағы муфтасы бар. Көп білікті жүйеде әдетте үш газ турбинасына бір бу жүйесі болады. Бір үлкен бу турбинасы мен жылуды қабылдағыш пайдаланудың масштабтық экономиясын қамтамасыз етеді және пайдалану мен техникалық қызмет көрсету шығындарын төмендетуі мүмкін. Үлкен бу турбинасы тиімді бу циклын қамтамасыз ету үшін жоғары қысымды да пайдалана алады. Дегенмен, көп білікті жүйе бастапқы құны бойынша шамамен 5% қымбатқа түседі. Жалпы зауыттың көлемі және қажетті газ турбиналарының саны, қай типтегі зауыттың экономикалық тиімділігі жоғары екенін анықтай алады. Бір білікті комбинирленген циклді электр станциялардың жиынтығы жұмыс істеу және күтіп ұстау үшін қымбатқа түсуі мүмкін, себебі жабдықтардың саны көп. Алайда, ол кәсіпорнына қажеттілікке қарай зауыттың қуатын кеңейтуге мүмкіндік беру арқылы пайыздық төлемдерді үнемдеуге көмектеседі. Газ турбиналары бар комбинирленген циклді жүйелерде 600 °C-қа жуық түтін газы температурасы бар жағдайларда көп қысымды қайта қыздырылатын бу циклдары қолданылады. 540 °C немесе одан төмен түтін газы температурасы бар газ турбиналары бар комбинирленген циклді жүйелерде бір және көп қысымды қайта қыздырылмаған бу циклдары қолданылады. Нақты қолданба үшін бу циклін таңдау, зауыттың орнатылған құны, отынның құны мен сапасы, жұмыс режимі, сондай-ақ пайыздық төлемдер, бизнес тәуекелдері және пайдалану мен техникалық қызмет көрсету шығындарын ескеретін экономикалық бағалау арқылы анықталады.

Тиімділік

Газ және бу циклдарын біріктіру арқылы жоғары кіріс температурасы мен төмен шығыс температурасына қол жеткізуге болады. Циклдардың тиімділігі қосылады, себебі олар бірдей отын көзімен қуаттанады. Осылайша, комбинирленген циклдік станцияда газ турбинасының жоғары жану температурасы мен бу циклдық конденсаторларынан шығатын қалдық жылу температурасы аралығында жұмыс істейтін термодинамикалық цикл болады. Бұл кең диапазон циклдың Карно тиімділігінің жоғары екенін көрсетеді. Нақты тиімділік, Карно тиімділігінен төмен болғанымен, жеке станциялардың тиімділігінен әлдеқайда жоғары болады. Комбинирленген циклдік электр станциясының электр тиімділігі, егер өндірілген электр энергиясы тұтынылған отынның төменгі жылу сыйымдылығының пайызы ретінде есептелсе, жаңа, яғни тозбаған және үздіксіз қуатпен жұмыс істегенде 60%-дан асып кетуі мүмкін, бұл идеалды жағдайлар. Жеке циклды жылу қондырғылары сияқты, комбинирленген циклдік қондырғылар да өнеркәсіптік процестер, аудандық жылыту және басқа да мақсаттар үшін төмен температуралы жылу энергиясын беруі мүмкін. Бұл когенерация деп аталады, ал мұндай электр станциялары көбінесе біріктірілген жылу және электр станциясы (ЖЭС) деп аталады. Жалпы алғанда, пайдаланудағы комбинирленген циклдардың тиімділігі төменгі жылу сыйымдылығы және жалпы өнімділік бойынша 50%-дан жоғары болады. Көптеген комбинирленген циклдік агрегаттар, әсіресе үлкендері, төменгі жылу сыйымдылығы бойынша тұрақты күйде 55-59% дейін ең жоғары тиімділікке ие. Комбинирленген циклдардың шектеулерінің бірі – үздіксіз қуатпен жұмыс істемегенде тиімділіктің төмендеуі. Іске қосылған кезде екінші циклдің іске қосылуына уақыт қажет болуы мүмкін. Осылайша, екінші цикл іске қосылғанға дейін тиімділік айтарлықтай төмендейді, бұл бір сағаттан астам уақытты алуы мүмкін.

Отынның жылу беру мәні

Жылу қозғалтқышының тиімділігі отынның жоғары жылулық мәніне (HHV) негізделуі мүмкін, оның ішінде буландырудың жасырын жылуы, конденсациялық қазандықтарда қайта пайдаланылатын, немесе төменгі жылулық мәніне (LHV) негізделуі мүмкін, осы жылуды есепке алмай. Метанның жоғары жылулық мәні (HHV) төменгі жылулық мәнінен (LHV) %-ға артық.

Тиімділікті арттыру

Турбинаның тиімділігі жану температурасы жоғарылағанда артады, себебі жұмыс сұйықтығы көбірек кеңейеді. Сондықтан тиімділік турбинаның бірінші қатарының жоғары температураға төзу қабілетімен шектеледі. Салқындату және материалдарды зерттеу жұмыстары жалғасуда. Ұшақтардан алынған кең таралған тәсіл – ыстық сатыдағы турбина қанатын салқындатқышпен қысымға салу. Бұл, сондай-ақ, турбина қанатының аэродинамикалық тиімділігін арттыру үшін авторлық құқықтары қорғалған әдістермен қолданылады. Әртүрлі өндірушілер әртүрлі салқындатқыштарды сынақтан өткізді. Ауа жиі қолданылады, бірақ бу көбірек пайдаланыла бастады. Кейбір өндірушілер қазір ыстық бөлімде бір кристаллды турбина қанатын қолдануы мүмкін, бұл әскери ұшақтардың қозғалтқыштарында кең таралған тәсіл. CCGT және GT тиімділігін жануға арналған ауаны алдын ала салқындату арқылы да арттыруға болады. Бұл оның тығыздығын арттырады, сонымен қатар турбинаның кеңею коэффициентін арттырады. Бұл ыстық климатта қолданылады және қуаттылықты арттыруға да мүмкіндік береді. Бұл турбинаның кіреберісінде орналасқан ылғалды матрица арқылы суды булану арқылы немесе мұз сақтағыш кондиционерді пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Соңғысы төмен температураның арқасында үлкен жақсартуларға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, мұз сақтағыш жүктемені басқару немесе жүктемені ауыстыру үшін қолданылуы мүмкін, себебі мұз электр қуатына сұраныс төмен кезеңдерде және болашақта жаңартылатын энергия сияқты басқа ресурстардың көп болуы мүмкін кезеңдерде жасалуы мүмкін. Жану технологиясы – авторлық құқықтары қорғалған, бірақ өте белсенді зерттеу саласы, себебі отын, газдандыру және көмірлендіру отынның тиімділігіне әсер етеді. Көбінесе аэродинамикалық және химиялық компьютерлік модельдеулерді біріктіріп, отынның толық жануын қамтамасыз ететін, бірақ ыстық түтін газдарының ластануын және сұйылтылуын азайтатын жану камерасының конструкцияларын табуға басымдық беріледі. Кейбір жану камералары ластануды азайту үшін ауа немесе бу сияқты басқа материалдарды қосады. Ранкин циклы үшін бу генераторы дағы зерттеулердің маңызды бағыты. Типік станциялар екі сатылы бу турбинасын қолданады, екі саты арасында буды қайта қыздырады. Жылу алмастырғыштардың жылу өткізгіштігі жақсарғанда тиімділік те жақсарады. Ядролық реакторлардағыдай, құбырлар жұқарақ болуы мүмкін (мысалы, мықтырақ немесе коррозияға төзімді болаттан жасалған). Басқа тәсіл – коррозияға ұшырамайтын кремний-карбоидті құрылымдарды қолдану. Ранкин циклының модификацияланған түрлері де зерттелуде. Екі перспективалы бағыт – аммиак-су қоспалары және сығымды көмірқышқыл газын пайдаланатын турбиналар. Қазіргі заманғы CCGT станцияларына отын, жабдық, температура, ылғал және қысымның әрбір түріне дәл бейімделген бағдарламалық қамтамасыз ету қажет. Станция жақсартылғанда бағдарламалық қамтамасыз ету өзгертілуге бейім. CCGT бағдарламалық қамтамасыз етуін сынау да қымбат, себебі жаңа CCGT станцияларының көп миллиондық прототиптерінде нақты уақыт шектеулі. Сынау әдетте ерекше отын мен жағдайларды модельдейді, бірақ нақты жабдықта өлшенген деректер нүктелерімен модельдеуді растайды.

Жарыс

Жоғары тиімділікке жету үшін белсенді бәсекелестік жүріп жатыр. 1370 °C (2498 °F) турбинаға кіретін температураға бағытталған зерттеулер одан да тиімді біріктірілген циклдарға әкелді. Баглан шығанағындағы электр стансасында GE технологиясы бойынша газ турбинасы, NEM 3 қысымды қайта жылыту қазандығымен және турбинаның қанатшаларын салқындату үшін жылуды қалпына келтіру бу генераторынан (HRSG) буды пайдалану арқылы 60% LHV тиімділігіне (54% HHV тиімділігіне) қол жеткізілді. 2011 жылдың мамыр айында Siemens AG компаниясы 578 МВт SGT5 8000H газ турбинасымен Иршинг электр стансасында 60,75% тиімділікке қол жеткізгенін хабарлады. Chubu Electric Nishi ku, Нагоя электр стансасының 405 МВт 7HA жалпы жиынтық циклінің тиімділігі 62% болады деп күтілуде. 2016 жылдың 28 сәуірінде Бушайн қаласындағы Électricité de France компаниясы басқаратын электр стансасы Guinness World Records бойынша әлемдегі ең тиімді біріктірілген циклді электр стансасы ретінде 62,22% тиімділікке ие болды. Ол General Electric 9HA-ны пайдаланады, ол қарапайым циклде 41,5% тиімділікке және біріктірілген цикл режимінде 61,4% тиімділікке ие, газ турбинасының қуаты 397 МВт-тан 470 МВт-қа дейін, ал жалпы қуаты 592 МВт-тан 701 МВт-қа дейін жетеді. Оның жану температурасы аралығында, жалпы қысым арақатынасы 21,8:1 құрайды. 2016 жылдың желтоқсанында Mitsubishi өзінің J сериялы турбиналарының кейбір үлгілері үшін 63% -дан жоғары LHV тиімділігіне қол жеткізгенін мәлімдеді. 2017 жылдың желтоқсанында GE өзінің соңғы 826 МВт HA электр стансасында 64% тиімділікке қол жеткізді, бұл 63,7% -дан жоғары көрсеткіш. Бұл аддитивті өндіріс және жану процесіндегі жетістіктердің нәтижесі екенін хабарлады. Олардың баспасөз хабарламасында 2020 жылдың басына қарай 65% тиімділікке жету жоспарланғаны айтылды. Термодинамикалық артықшылықтарының бірі – бу турбинасын күнделікті іске қосудан туындайтын шығындардың жойылуы. Біріктірілген циклді электр стансасының қуаттылығын шектейтін негізгі факторлар – бу турбинасының және жылуды қалпына келтіру бу генераторының рұқсат етілген қысым мен температура өзгерістері, сондай-ақ қажетті бу химиялық құрамын орнату үшін күту уақыты және жабдық пен негізгі құбыр жүйесін жылытуға кеткен уақыт. Бұл шектеулер газ турбинасын жылдам іске қосу мүмкіндігіне де әсер етеді, себебі күту уақыты қажет. Ал күтіп тұрған газ турбиналары газды тұтынады. Егер электр стансасы күн шыққаннан кейін немесе одан бұрын, егер жылу сақтау жүйесі болса, буды қажетті жағдайға дейін қыздыруға мүмкіндік беретін күн компоненті бар. Яғни, станса газды аз тұтынып, жылдам іске қосылады. Экономикалық артықшылықтарының бірі – күн компоненттерінің құны бірдей коллекторлық беті бар күн энергиясын өндіру жүйелерінің құнынан 25%-тан 75%-ға дейін төмен. Мұндай жүйелердің алғашқысы 2010 жылы Италиядағы Архимед электр стансасы, содан кейін Флоридадағы Мартиннің келесі буын күн энергиясы орталығы, 2011 жылы Египеттегі Кураймат ИССК электр стансасы, Ирандағы Язд электр стансасы, Алжирдегі Хасси Р'мель және Мароккодағы Айн Бени Матар болып табылады. Австралияда CS Energy компаниясының Коган Крик және Macquarie Generation компаниясының Лидделл электр стансалары күн энергиясын арттырушы Френель секциясын (44 МВт және 9 МВт) салуды бастады, бірақ жобалар іске қосылған жоқ.

Төменгі деңгейге көтерілу циклдері

Көптеген табысты біріктірілген циклдерде қуаттық төменгі циклы – дәстүрлі бу Ранкин циклі болып табылады. Суық климатты аймақтарда (мысалы, Финляндияда) бу электр станциясының конденсаторлық жылуын пайдаланып, аудандық жылу жүйелерін іске қосу кең таралған. Мұндай біріктірілген жылу-электр энергиясын өндіру жүйелері 95%-дан жоғары теориялық тиімділікке қол жеткізе алады. Бу конденсаторының жылу шығынынан электр энергиясын өндіретін төменгі циклдер теориялық тұрғыдан мүмкін, бірақ дәстүрлі турбиналардың көлемі экономикалық тұрғыдан тиімсіз. Конденсацияланған бу мен сыртқы ауа немесе су арасындағы аз температура айырмасы турбиналарды іске қосу үшін өте үлкен массаның қозғалысын талап етеді. Іске асырылмағанмен, ауа ағыны төменгі цикл үшін масса ағындарын шоғырландыра алады. Vortex қозғалтқышының теориялық зерттеулері, оның ірікте салынған жағдайда, үлкен бу Ранкин циклы электр станциясы үшін экономикалық тиімді төменгі цикл болатынын көрсетеді.