Введение
Сборка тепловых двигателей, работающих согласованно от одного источника тепла. Комбинированная электростанция – это сборка тепловых двигателей, работающих согласованно от одного источника тепла, преобразующая его в механическую энергию. На суше, при использовании для производства электроэнергии, наиболее распространенным типом является газотурбинная установка комбинированного цикла (CCGT), являющаяся разновидностью газовой электростанции. Тот же принцип применяется и для морского транспорта, где он называется комбинированной газопаровой установкой (COGAS). Комбинирование двух или более термодинамических циклов повышает общую эффективность, что снижает расход топлива. Суть принципа заключается в том, что после завершения цикла в первом двигателе рабочее тело (выхлопные газы) все еще достаточно горячее, чтобы второй тепловой двигатель мог извлечь из них энергию. Обычно тепло передается через теплообменник, позволяя двум двигателям использовать различные рабочие тела. За счет выработки энергии из нескольких потоков полезной работы общая эффективность может быть увеличена на 50–60%. То есть, общая эффективность системы может возрасти, например, с 34% для простого цикла до 64% чистой эффективности для турбины в определенных условиях комбинированного цикла.
A combined cycle power plant is an assembly of heat engines that work in tandem from the same source of heat, converting it into mechanical energy. On land, when used to make electricity the most common type is called a combined cycle gas turbine (CCGT) plant, which is a kind of gas fired power plant. The same principle is also used for marine propulsion, where it is called a combined gas and steam (COGAS) plant. Combining two or more thermodynamic cycles improves overall efficiency, which reduces fuel costs. The principle is that after completing its cycle in the first engine, the working fluid (the exhaust) is still hot enough that a second subsequent heat engine can extract energy from the heat in the exhaust. Usually the heat passes through a heat exchanger so that the two engines can use different working fluids. By generating power from multiple streams of work, the overall efficiency can be increased by 50–60%. That is, from an overall efficiency of the system of say 34% for a simple cycle, to as much as 64% net for the turbine alone in specified conditions for a combined cycle.
Исторические циклы
Исторически успешные комбинированные циклы использовали турбины с ртутным паром, магнитогидродинамические генераторы и топливные элементы из расплавленного карбоната с паровыми установками для цикла "понижения" при низкой температуре. Циклы понижения при очень низких температурах были слишком дорогими из-за очень больших размеров оборудования, необходимого для обработки больших массовых потоков и небольших температурных различий. Однако в условиях холодного климата распространено продавать горячую воду электростанции для горячего водоснабжения и отопления помещений. Вакуумная изоляция трубопроводов позволяет этой системе достигать 90 км. Этот подход называется "комбинированное производство тепла и энергии" (CHP). В стационарных и морских электростанциях широко используется комбинированный цикл с большой газовой турбиной (работающей по циклу Брэйтона). Горячие выхлопные газы турбины питают паровую электростанцию (работающую по циклу Ранкина). Это комбинированная установка газотурбинного цикла (CCGT). Они достигают лучшей в своем классе реальной (см. ниже) тепловой эффективности около 64% при работе с базовой нагрузкой. В отличие от этого, пароэлектростанция с одним циклом ограничена эффективностью от 35 до 42%. Многие новые электростанции используют CCGT. Стационарные CCGT сжигают природный газ или синтез-газ из угля. Корабли сжигают мазут. Можно также использовать многоступенчатые турбины или паровые циклы, но установки CCGT имеют преимущества как для производства электроэнергии, так и для морского применения. Цикл газовой турбины часто может запускаться очень быстро, что обеспечивает немедленную мощность. Это позволяет избежать необходимости в отдельных дорогостоящих пиковых электростанциях или дает кораблю возможность маневрировать. Со временем вторичный паровой цикл нагревается, повышая эффективность использования топлива и обеспечивая дополнительную мощность. В ноябре 2013 года Институт солнечной энергетики Фраунгофера (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE) оценил приведенную стоимость энергии для вновь построенных электростанций в немецком энергетическом секторе. Они указали стоимость от 78 до 100 €/МВт·ч для электростанций CCGT, работающих на природном газе. Кроме того, капитальные затраты на электроэнергию комбинированного цикла относительно невелики – около 1000 долларов США за кВт, что делает ее одним из самых дешевых видов генерации.
Базовый комбинированный цикл
Термодинамический цикл базового комбинированного цикла состоит из двух циклов электростанции. Один из них – цикл Джоуля или Брэйтона, являющийся циклом газовой турбины, а другой – цикл Ранкина, являющийся циклом паровой турбины. Цикл 1-2-3-4-1, представляющий собой цикл газотурбинной электростанции, является верхним циклом. Он отображает процессы передачи тепла и работы, происходящие в высокотемпературной зоне. Цикл a-b-c-d-e-f-a, представляющий собой цикл пара Ранкина, протекает при более низкой температуре и известен как нижний цикл. Передача тепловой энергии от высокотемпературных выхлопных газов к воде и пару происходит в котле-утилизаторе тепла в нижнем цикле. В процессе постоянного давления 4-1 выхлопные газы газовой турбины отдают тепло. Питательная вода, влажный и перегретый пар поглощают часть этого тепла в процессах a-b, b-c и c-d.
Парогенераторы
Парная электростанция использует тепло отработанных газов газотурбинной электростанции высокой температуры.
Принципы проектирования
Эффективность теплового двигателя, доля поступающей тепловой энергии, которая может быть преобразована в полезную работу, ограничена разностью температур между теплом, поступающим в двигатель, и теплом, отводимым двигателем в виде выхлопных газов. В тепловой электростанции в качестве рабочего тела используется вода. Для работы под высоким давлением пара требуются прочные и массивные компоненты. Высокие температуры требуют применения дорогостоящих сплавов на основе никеля или кобальта, а не дешевой стали. Эти сплавы ограничивают практическую температуру пара до 655 °C, а нижняя температура паровой установки определяется температурой охлаждающей воды. При таких ограничениях эффективность паровой установки фиксирована на уровне 35–42%. Открытый цикл газовой турбины состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины. Для газовых турбин требуется небольшое количество металла, способного выдерживать высокие температуры и давление, что позволяет использовать меньшее количество дорогостоящих материалов. В этом типе цикла температура газа на входе в турбину (температура горения) относительно высока (900–1400 °C). Температура отходящих газов также высока (450–650 °C). Этого достаточно для обеспечения тепла второго цикла, использующего пар в качестве рабочего тела (цикл Ранкина). В электростанции, работающей по комбинированному циклу, тепло выхлопных газов газовой турбины используется для генерации пара путем пропускания их через утилизационный котел (HRSG) с температурой пара на выходе от 420 до 580 °C. Конденсатор цикла Ранкина обычно охлаждается водой из озера, реки, моря или градирни. Температура охлаждающей воды может быть до 15 °C.
Типичный размер
Размер электростанции влияет на её стоимость. Электростанции большей мощности выигрывают от эффекта масштаба (снижение начальной стоимости за киловатт) и повышения эффективности. Для крупномасштабной выработки электроэнергии типичная конфигурация включает первичную газовую турбину мощностью 270 МВт, соединенную со вторичной паровой турбиной мощностью 130 МВт, что обеспечивает общую мощность 400 МВт. Типичная электростанция может состоять из одного-шести таких комплектов. Газовые турбины для крупномасштабной выработки электроэнергии производятся как минимум четырьмя компаниями – General Electric, Siemens, Mitsubishi Hitachi и Ansaldo Energia. Эти компании также разрабатывают, испытывают и/или поставляют на рынок газовые турбины мощностью более 300 МВт (для сетей 60 Гц) и 400 МВт (для сетей 50 Гц). Установки, работающие по комбинированному циклу, состоят из одной или нескольких газовых турбин, каждая из которых оснащена утилизатором тепла для производства пара, подаваемого на одну или несколько паровых турбин, образуя таким образом блок комбинированного цикла. Размеры блоков комбинированного цикла, предлагаемые тремя ведущими производителями (Alstom, General Electric и Siemens), могут варьироваться от 50 МВт до более чем 1300 МВт, при стоимости, приближающейся к 670 долларов США за кВт.
Необогащенный котел
Котел для рекуперации тепла обозначен как пункт 5 на приведенной выше схеме COGAS. Горячие выхлопные газы газовой турбины поступают в перегреватель, затем проходят через испаритель и, наконец, через экономайзер по мере выхода из котла. Подпиточная вода поступает через экономайзер, а затем выходит после достижения температуры насыщения в водно-паровом контуре. Далее она проходит через испаритель и перегреватель. Если температура газов, поступающих в котел для рекуперации тепла, выше, то и температура выходящих газов также будет высокой, что актуально для запуска или работы газовой турбины в простом цикле. Другой, менее распространенный набор опций позволяет увеличить тепловую мощность или обеспечить автономную работу паровой турбины для повышения надежности: дожигание в газоходе, возможно, с вентилятором приточного воздуха в газоходе и муфтой на валу газовой турбины. Многовальная система обычно имеет только одну паровую систему для обслуживания до трех газовых турбин. Использование только одной большой паровой турбины и одного теплоотвода обеспечивает экономию за счет масштаба и может снизить затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. Большая паровая турбина также может работать при более высоком давлении, что повышает эффективность парового цикла. Однако многовальная система примерно на 5% дороже в начальных инвестициях. Общий размер электростанции и соответствующее количество необходимых газовых турбин также могут определить, какой тип электростанции является более экономичным. Эксплуатация и техническое обслуживание группы одновальных электростанций комбинированного цикла могут быть дороже из-за большего количества оборудования. Однако это может снизить процентные расходы, позволяя предприятию наращивать мощность электростанции по мере необходимости. Многократные циклы перегрева пара применяются в системах комбинированного цикла с газовыми турбинами с температурой выхлопных газов около 600 °C. Однократные и многократные циклы парового перегрева без промежуточного перегрева применяются в системах комбинированного цикла с газовыми турбинами, температура выхлопных газов которых составляет 540 °C или ниже. Выбор парового цикла для конкретного применения определяется экономической оценкой, учитывающей стоимость установки, стоимость и качество топлива, режим работы, а также затраты на проценты, бизнес-риски, эксплуатацию и техническое обслуживание.
Эффективность
Объединяя газовый и паровой циклы, можно достичь высоких температур на входе и низких – на выходе. Эффективность циклов суммируется, поскольку они работают на одном и том же источнике топлива. Таким образом, комбинированный цикл имеет термодинамический цикл, работающий в диапазоне температур от высокой температуры сгорания газовой турбины до температуры отходящего тепла от конденсаторов парового цикла. Этот широкий диапазон означает, что теоретическая эффективность Карно цикла высока. Фактическая эффективность, хотя и ниже теоретической, все же выше, чем у каждой установки, работающей отдельно. Электрическая эффективность электростанции, работающей по комбинированному циклу, рассчитанная как отношение произведенной электроэнергии к нижней тепловой ценности потребленного топлива, может превышать 60% при эксплуатации новой, то есть не выработавшей ресурс, установки в условиях непрерывной нагрузки, которые являются идеальными. Как и тепловые установки с одним циклом, установки с комбинированным циклом также могут поставлять тепловую энергию низкой температуры для промышленных процессов, централизованного теплоснабжения и других целей. Это называется когенерацией, и такие электростанции часто называют комбинированными тепловыми и энергетическими установками (ТЭЦ). В целом, эффективность комбинированного цикла в эксплуатации превышает 50% при расчете по нижней тепловой ценности и валовой мощности. Большинство установок с комбинированным циклом, особенно крупные, демонстрируют пиковую устойчивую эффективность в пределах 55–59% по нижней тепловой ценности. Ограничением комбинированных циклов является снижение эффективности при работе в режиме непостоянной нагрузки. Во время запуска второму циклу может потребоваться время для выхода на рабочий режим. Следовательно, эффективность первоначально значительно ниже, пока второй цикл не заработает, что может занять час или более.
Значение нагрева топлива
Эффективность теплового двигателя может быть рассчитана на основе высшей теплотворной способности топлива (HHV), включающей скрытую теплоту парообразования, которая может быть рекуперирована в конденсационных котлах, или на основе нижней теплотворной способности (LHV), исключая её. Высшая теплотворная способность метана составляет , по сравнению с нижней: увеличение на %.
Повышение эффективности
Эффективность турбины повышается при более высокой температуре сгорания, поскольку рабочее тело расширяется в большей степени. Следовательно, эффективность ограничивается способностью первой ступени лопаток турбины выдерживать повышенные температуры. Продолжаются исследования в области охлаждения и материалов. Распространенная технология, заимствованная из авиации, заключается в создании избыточного давления в лопатках турбины горячей ступени с помощью охлаждающей жидкости. Эта жидкость также отводится особыми способами для повышения аэродинамической эффективности лопаток турбины. Различные производители экспериментируют с различными хладагентами. Воздух распространен, но пар используется все чаще. Некоторые производители сейчас могут использовать лопатки турбины из монокристаллов в горячей секции, технология, уже широко распространенная в военных авиационных двигателях. Эффективность CCGT и GT также может быть увеличена за счет предварительного охлаждения воздуха, поступающего в камеру сгорания. Это увеличивает его плотность, а также степень расширения турбины. Эта практика применяется в жарком климате и также приводит к увеличению выходной мощности. Это достигается за счет испарительного охлаждения воды с использованием влажной матрицы, расположенной на входе в турбину, или с помощью систем кондиционирования с аккумулированием холода на льде. Последнее имеет преимущество в виде более значительного улучшения благодаря более низким температурам. Кроме того, аккумулирование холода на льде может использоваться для управления нагрузкой или переключения нагрузки, поскольку лед можно производить в периоды низкого спроса на электроэнергию и, возможно, в будущем, при ожидаемой высокой доступности других ресурсов, таких как возобновляемые источники энергии, в определенные периоды времени. Технология сгорания является запатентованной, но очень активной областью исследований, поскольку топливо, газификация и карбюрация влияют на топливную эффективность. Типичная задача состоит в объединении аэродинамического и химического компьютерного моделирования для поиска конструкций камер сгорания, которые обеспечивают полное сгорание топлива, минимизируя при этом загрязнение и разбавление горячих выхлопных газов. Некоторые камеры сгорания впрыскивают другие вещества, такие как воздух или пар, для снижения загрязнения за счет уменьшения образования нитратов и озона. Еще одна активная область исследований – парогенератор для цикла Ранкина. Типичные установки уже используют двухступенчатую паровую турбину с перегревом пара между ступенями. Повышение теплопроводности теплообменников приводит к увеличению эффективности. Как и в ядерных реакторах, трубы могут быть изготовлены тоньше (например, из более прочной или более коррозионностойкой стали). Другой подход – использование «сэндвичей» из карбида кремния, которые не подвержены коррозии. Также ведется разработка модифицированных циклов Ранкина. Два перспективных направления – смеси аммиака и воды, а также турбины, использующие сверхкритический диоксид углерода. Современные установки CCGT также нуждаются в программном обеспечении, точно настроенном на каждый выбор топлива, оборудования, температуры, влажности и давления. При модернизации установки программное обеспечение становится постоянно меняющейся целью. Тестирование программного обеспечения CCGT также дорогостоящее, поскольку время работы ограничено на многомиллионных прототипах новых установок CCGT. Испытания обычно моделируют необычные виды топлива и условия, но подтверждают результаты моделирования с помощью отдельных точек данных, измеренных на реальном оборудовании.
Соревнование
Существует активная конкуренция за достижение более высокой эффективности. Исследования, направленные на температуру входящего газа турбины 1370 °C (2498 °F), привели к созданию еще более эффективных комбинированных циклов. Электростанция Baglan Bay достигла почти 60% LHV эффективности (54% HHV эффективности), используя газовую турбину GE H с котлом-перегревателем под давлением NEM 3, и применяя пар из парогенератора с утилизацией тепла (HRSG) для охлаждения лопаток турбины. В мае 2011 года Siemens AG объявила о достижении эффективности 60,75% с газовой турбиной SGT5 8000H мощностью 578 МВт на электростанции Irsching. Ожидается, что электростанция Chubu Electric в Nishi-ku, Nagoya, мощностью 405 МВт, оснащенная турбиной 7HA, достигнет 62% валовой эффективности комбинированного цикла. 28 апреля 2016 года электростанция Électricité de France в Bouchain была сертифицирована Книгой рекордов Гиннеса как самая эффективная в мире электростанция комбинированного цикла с эффективностью 62,22%. Она использует газовую турбину General Electric 9HA, которая демонстрирует 41,5% эффективность в простом цикле и 61,4% в режиме комбинированного цикла, с выходной мощностью газовой турбины от 397 до 470 МВт и общей мощностью от 592 до 701 МВт. Температура горения составляет , а общее давление – 21,8:1. В декабре 2016 года Mitsubishi заявила об эффективности LHV более 63% для некоторых моделей турбин серии J. В декабре 2017 года GE заявила о достижении 64% на своей новейшей установке HA мощностью 826 МВт, по сравнению с 63,7%. Это объясняется прогрессом в аддитивном производстве и технологии сгорания. В пресс-релизе компании говорится о планах достижения 65% к началу 2020-х годов. Термодинамические преимущества заключаются в отсутствии ежедневных потерь при запуске паровой турбины. Основными факторами, ограничивающими выходную мощность электростанции комбинированного цикла, являются допустимые скачки давления и температуры паровой турбины, а также время ожидания, необходимое парогенератору с утилизацией тепла для достижения требуемых параметров химического состава пара и время прогрева вспомогательного оборудования и основной трубопроводной системы. Эти ограничения также влияют на возможность быстрого запуска газовой турбины, требуя времени ожидания. А ожидающие газовые турбины потребляют газ. Солнечный компонент, если электростанция запускается после восхода солнца или раньше при наличии аккумулирования тепла, позволяет предварительно нагреть пар до требуемых параметров. То есть, электростанция запускается быстрее и с меньшим расходом газа до достижения рабочих условий. Экономические преимущества заключаются в том, что стоимость солнечных компонентов составляет от 25% до 75% от стоимости солнечной электростанции аналогичной площади коллекторов. Первой такой системой, введенной в эксплуатацию, стала электростанция комбинированного цикла Archimede в Италии в 2010 году, за которой последовали Martin Next Generation Solar Energy Center во Флориде, а в 2011 году – электростанция Kuraymat ISCC в Египте, электростанция Yazd в Иране, Hassi R'mel в Алжире и Ain Beni Mathar в Марокко. В Австралии CS Energy’s Kogan Creek и Macquarie Generation’s Liddell Power Station начали строительство секции усиления с использованием солнечных концентраторов Френеля (44 МВт и 9 МВт), но проекты так и не были реализованы.
Циклы дна
В большинстве успешных комбинированных циклов цикл нижнего контура для выработки энергии представляет собой обычный паровой цикл Ранкина. В холодных климатических условиях (например, в Финляндии) уже распространено использование тепла от конденсатора паровой электростанции для систем централизованного теплоснабжения. Такие системы когенерации могут обеспечивать теоретическую эффективность свыше 95%. Циклы нижнего контура, вырабатывающие электроэнергию из тепла, отводимого конденсатором пара, теоретически возможны, но для них потребовались бы неэкономично большие традиционные турбины. Небольшие разности температур между конденсирующимся паром и окружающим воздухом или водой требуют очень больших массовых потоков для вращения турбин. Хотя это пока не реализовано на практике, воздушный вихрь может концентрировать массовые потоки для цикла нижнего контура. Теоретические исследования двигателя Vortex показывают, что при крупномасштабном строительстве он может стать экономически выгодным циклом нижнего контура для крупной паровой электростанции, работающей по циклу Ранкина.