Впрыск водяного пара (воды) в энергетические ГТУ

Для поддержания концентрации оксидов азота в выходных газах ГТУ в пределах нормы (не более 50 мг/м3 и 100 мг/м3 соответственно при работе ГТУ на газе и на жидком топливе) осуществляют впрыскивание водяного пара (воды) в зону активного горения КС или в турбокомпрессор ГТУ.

Водяной пар впрыскивается в зону активного горения КС через топливные форсунки или может смешиваться с воздухом, охлаждающим корпуса камер сгорания ГТУ. Снижение концентрации оксидов азота в КС происходит вследствие снижения температуры горения, а также за счет улучшения кинетики процесса горения [26]. Вводимый в КС пар позволяет существенно увеличить мощность установки вследствие увеличения энтальпии и массового расхода рабочего тела, однако при этом возможно снижение экономичности ГТУ. Подача обессоленной и отфильтрованной воды во входной патрубок компрессора позволяет повысить массовый расход рабочего тела, снизить удельную работу сжатия воздуха и генерацию оксидов азота в КС ГТУ.

Расчеты, выполненные в ИВТ РАН, показали, что при отношении расхода водяного пара к расходу природного газа, равном примерно 2, образование N0* во фронте пламени снижается более чем на порядок. Однако чрезмерное уменьшение температуры газов в стехиометрических зонах горения приводит к образованию продуктов неполного сгорания топлива, в основном диоксида углерода СО (рис. 6.7).

Влияние впрыска водяного пара в КС ГТУ на выход NO. и СО (х = G/Bопл)

Рис. 6.7. Влияние впрыска водяного пара в КС ГТУ на выход NO.r и СО (х = Gmp/BTопл)

Влияние впрыска водяного пара в КС на характеристики ГТУ типа MS7001 ЕА (General Electric) показано на рис. 6.8. Количество впрыскиваемого пара не превышает 5% общего объема воздуха, подаваемого компрессором ГТУ. При впрыске воды отношение во- да/воздух остается примерно таким же, что и при впрыске пара. По данным фирмы АВВ (рис. 6.9), впрыскивание воды в КС увеличивает электрическую мощность установки, но снижает ее экономич-

Влияние впрыска водяного пара в КС ГТУ типа MS7001 ЕА на изменение электрической мощности (а) и температуры выходных газов (б)

Р и с. 6.8. Влияние впрыска водяного пара в КС ГТУ типа MS7001 ЕА на изменение электрической мощности (а) и температуры выходных газов (б): At^ = t^- t*yx; tyx, t*x - температура выходных газов соответственно без впрыска и при наличии впрыска ность в зависимости от температуры впрыскиваемой воды. Аналогичные данные получены фирмой Mitsubishi применительно к ГТУ мощностью 120 МВт. Впрыск деминерализованной воды в КС в количестве 8,33 кг/с приводит к увеличению мощности этой ГТУ на 9 МВт.

Учеными РФ проведены подробные исследования параметров ГТУ при их работе с впрыском воды на входе в компрессор установки. При впрыске воды происходит незначительная сепарация влаги, а в дальнейшем ее испарение, что обусловливает возрастание потерь в количестве до 1,6% на 1% впрыскиваемой воды по отношению к объему воздуха. В результате впрыска воды на входе в компрессор увеличивается его КПД и расход газов через ГТ, что в целом улучшает работу ГТУ. При впрыске 0,5-2% воды (по отношению к объему воздуха) полезная мощность установки возрастает на 7,5-14% при

увеличении ri^, приблизительно на 3,5%.

Влияние впрыска воды (ЗзгфВ КС энергетической ГТУ фирмы АВВ на электрическую мощность и экономичность установки (Свозд - количество воздуха, засасываемое компрессором ГТУ)

Рис. 6.9. Влияние впрыска воды (ЗзгфВ КС энергетической ГТУ фирмы АВВ на электрическую мощность и экономичность установки (Свозд - количество воздуха, засасываемое компрессором ГТУ): 1 - изменение электрической мощности базового варианта N/N0 (N0 - номинальная нагрузка без впрыска; N - то же при наличии впрыска); 2 - изменение экономичности установки т|/г|0 при tB = 150 °С; 3 - то же при *в= 100 °С; 4 - то же при tB = 50 °С

Результаты исследований фирмы Siemens показали, что при сжатии в компрессоре смеси воздуха и воды последняя испаряется, охлаждая воздух в первых ступенях компрессора. При этом снижается расход топлива в ГТУ на 1,5%, а генерация N0* - на 20^10%. Кроме того, при использовании ГТУ в схеме ПГУ «влажное» сжатие приво- дит к увеличению паропроизводительности котла-утилизатора на 2-3%. Расход воды на входе в компрессор зависит от окружающих условий и модели ГТУ.

Следует отметить, что впрыскивание пара или воды в ГТУ приводит к существенному возрастанию трудозатрат при строительстве и эксплуатации системы, так как требуется усложнение конструкции ГТУ и обессоливание впрыскиваемой воды.

В РФ применение впрыска пара для снижения выбросов N0* впервые было осуществлено на ГТУ типа ГТ-100 (ПО ЛМЗ) на Красноярской ТЭЦ и на ГРЭС № 3 ОАО «Мосэнерго». Анализ результатов исследований показал, что в первом случае впрыскивание пара при р = 1 МПа и t = 250-300 °С в количестве 3 кг/с в КС низкого давления позволяет повысить мощность ГТУ на 2%. При этом заметного снижения концентрации N0* в уходящих газах ГТ не было установлено, что объясняется подачей пара в КС низкого давления, где образуется небольшое количество оксидов азота.

Во втором случае (на ГРЭС № 3) проводился впрыск пара в КС высокого давления. При нагрузке ГТУ 50-60 МВт и расходе пара 2,5 кг/с концентрация N0* за ТНД снизилась в 1,6 раза, а при увеличении расхода пара до 4,03 кг/с - в 2,3 раза. При этом концентрация СО за ТНД составила 0,014-0,015%, что соответствует полноте выгорания 99,8%.

В заключение отметим, что газотурбинные установки, в которых в качестве рабочего тела применяется паровоздушная смесь, отличаются высокими экономичностью и удельной мощностью при удельной стоимости строительства меньшей, чем у традиционных парогазовых установок [25]. Были предложены различные циклы ГТУ с увлажненным рабочим телом, например циклы с непосредственным впрыском в КС воды, циклы с впрыском пара, испарительные циклы с увлажняющими колоннами. Однако лишь некоторые из них были практически реализованы и еще меньшее их число доступно на рынке.

В случае впрыска воды или пара в КС замещается часть воздуха, предназначенного для ее охлаждения, и снижается работа сжатия. При равных расходах воды и пара на впрыскивание при впрыске воды КС охлаждается лучше, чем при впрыске пара, так как энергия для испарения воды забирается от продуктов сгорания.

180

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >