МОДЕРНИЗАЦИЯ СХЕМ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГАЗОТУРБИННЫХ И СОЛНЕЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Существующие опытно-демонстрационные солнечные энергетические станции (СЭС), построенные в разных странах, сегодня базируются на паровом цикле Ренкина с максимальной температурой цикла не выше 550°С и тем самым не в полной мере используют термодинамические возможности повышения эффективности преобразования энергии. В [1] рассматриваются СЭС башенного типа, в которых за счет реализации (с помощью поля гелиостатов) высоких коэффициентов концентрации солнечного излучения возможно получение высоких температур теплоносителя (1000°С и выше) и применение высокотемпературных термодинамических циклов с использованием газовых турбин.
Газотурбинные электростанции в отличие от паротурбинных не нуждаются в конденсаторе и в охлаждающей воде и представляются более привлекательными для использования в безводных пустынных районах с максимальным поступлением солнечной радиации. Г азотурбинные установки используют в качестве рабочего тела воздух и в отличие от паротурбинных не включают в себя системы водоподготовки.
В отмечается, что особый интерес для солнечной энергетики представляет регенеративный цикл Брайтона, для которого оптимальная степень сжатия воздуха в компрессоре составляет 3...5 бар, в то время как в паровых турбинах рабочее давление достигает 100 бар и выше. В результате паротурбинное оборудование имеет высокую инерционность и проблемы с обеспечением быстрого запуска и останова, характерные для СЭС, работающих в условиях нестабильности потока солнечной радиации.
Важным преимуществом газотурбинных СЭС является также возможность их относительно простой гибридизации - создания солнечно-топливных энергоблоков. Органическое топливо (природный газ, жидкое топливо) может инжектироваться непосредственно в воздушный поток перед турбиной без использования какого-либо дополнительного теплообменного оборудования.
В качестве недостатка газотурбинных электростанций часто называется относительно низкий достигнутый к.п.д., составляющий около 30%, в то время, как для лучших паротурбинных установок он достигает около 40%. Однако это верно лишь в случае использования обычного цикла Брайтона. Регенеративный цикл позволяет существенно повысить к.п.д. даже при относительно невысокой температуре воздуха на входе в турбину.
Другим недостатком считается малая величина удельной работы в расчете на 1 кг рабочего тела, особенно в случае использования регенеративного цикла с малым коэффициентом сжатия воздуха. Для водяного пара на 1 кг/с расхода возможно получение до 1 МВт электрической мощности, а в регенеративном цикле Брайтона для выработки той же мощности требуется расход воздуха 7 кг/с. Однако этот существенный недостаток может быть преодолен за счет использования современных высокооборотных (до 24000 об/мин) компрессоров газовых турбин и генераторов, сегодня все более широко используемых в авиационной и космической технике.
Выполним сравнительный анализ трех перспективных схем гибридных солнечнотопливных электростанций с газовыми турбинами, использующих:
- регенеративный цикл Брайтона (рис. 1). В этой схеме тепло выхлопных газов, выходящих из турбины, используется для предварительного нагрева в рекуперативном теплообменнике сжатого в компрессоре воздуха перед его поступлением в солнечный ресивер - гелиополе. Принципиальной особенностью этого цикла является малое значение коэффициента сжатия воздуха в компрессоре (пС =3...5), при котором реализуется максимальный к.п.д. цикла;
- обыкновенный цикл Брайтона с инжекцией пара в воздушный поток (рис. 2). Для этого цикла характерно высокое оптимальное значение коэффициента сжатия воздуха, тепло выхлопных газов утилизируется в теплообменнике-парогенераторе, водяной пар впрыскивается в поток воздуха перед газовой турбиной;
- комбинированный парогазовый цикл (рис. 3), в котором комбинируются циклы Брайтона и Ренкина: тепло выходящих из газовой турбины газов используется для генерации пара, направляемого в паровую турбину.
Во всех трех случаях солнечная часть электростанции включает в себя поле гелиостатов и башню с герметичным объемным солнечным ресивером, на который концентрируется поток солнечного излучения.
Регенеративный цикл Брайтона характеризуется довольно сильной зависимостью к.п.д. от степени сжатия, причем максимальный к.п.д. реализуется при коэффициенте сжатия 3...5 (40% при 900°С и 48% при 1300°С). Схема такой солнечной электростанции представляется достаточно простой, наиболее проблемным ее компонентом является рекуперативный теплообменник, работающий при относительно высоких температурах и характеризующийся относительно большими поверхностями теплообмена (рис. 1).
Вместо рекуперативного теплообменника здесь используется котел-утилизатор. К.п.д. цикла примерно такой же как и в первой схеме, однако эти значения достигаются при более высоких коэффициентах сжатия воздуха. Существенным недостатком схемы представляется потребность в значительном количестве впрыскиваемой воды, который принципиально может быть устранен при обеспечении режима конденсации водяных паров из потока газов, выходящего из газовой турбины с его последующим возвращением в цикл.
Наибольшими значениями к.п.д. (43...53%) характеризуется комбинированный парогазовый цикл с использованием компактного теплообменника-парогенератора (рис. 3). Однако его практическая реализация применительно к солнечным электростанциям осложняется проблемами управления более сложной схемой, с переменными режимами работы и при пуске станции.
Выполненный анализ различных схем солнечных электростанций с газовыми турбинами является упрощенным. Вместе с тем он показал возможность существенного повышения к.п.д. по сравнению с паротурбинными солнечными электростанциями и отсутствие каких-либо серьезных ограничений для дальнейшей проработки конкретных технических, базирующихся на современных достижениях газотурбинного машиностроения.
Если дополнить солнечную станцию тепловым аккумулятором или вспомогательной установкой, то такую систему можно будет использовать в базовом режиме, а также в пиковом режиме в условиях эксплуатации в республике.
Аккумулирование может преследовать две цели:
а) Продление рабочих часов за пределы периода солнечного сияния, что позволяет придать станции с промежуточной нагрузкой характер базовой станции;
б) Сдвиг рабочих часов в область часов пик, что особенно важно для развивающихся стран, где часы пик приходятся на вечернее время; в этом случае требуемая емкость аккумулятора ниже, чем при работе в режиме базовой станции.
Таким образом, экономический анализ показывает, что наиболее выгодной будет работа станции в пиковом режиме. Работа в базовом режиме будет представлять интерес в ближайшем будущем лишь для изолированных промышленных центров с целью замены органического топлива, а в более отдаленном будущем — лишь в случае, когда стоимость солнечной энергии станет ниже стоимости базовой энергии, полученной традиционным способом, например, с помощью гидроэлектростанции, а также в районах пустынных территорий, испытывающих недостаток воды.