Основными загрязняющими атмосферу компонентами в отработанных газах ПГУ на природном газе являются оксиды азота NОХ. Процесс горения в камерах сгорания (КС) происходит при составе топливовоздушной смеси в зоне реакции, близком к стехиометрическому, в так называемых «стехиометрических зонах». Параметры этих зон (температура, давление, интенсивность переноса тепла и вещества, время пребывания газа в них) в значительной мере определяют не только скорость горения, но и скорость образования тех оксидов азота, которые называют «термическими» (их вклад является преобладающим). Наиболее сильное влияние на выбросы NОХ оказывает температура в стехиометрических зонах. Ввод в зону реакции водяного пара, который в данном случае является инертным компонентом, снижает температуру в этой зоне, что приводит к заметному уменьшению выбросов оксидов азота.
При пониженной температуре в стехиометрической зоне равновесная концентрация NОХ, отвечающая этой температуре, остается весьма высокой, заметно превышающей допустимые нормы для NОХ в продуктах сгорания. Однако в реальных условиях сжигания топлива в камере сгорания ГТУ равновесная концентрация NОХ никогда не достигается. Из-за малого времени пребывания в стехиометрической зоне концентрация NОХ оказывается много меньше равновесной. Образование NОХ продолжается в послепламенной зоне – в объеме КС. Оптимизация подвода и смешения вторичного воздуха и оставшейся части инертного компонента (пара) с первичным потоком, снижение времени пребывания продуктов сгорания в КС и уровня температур в ней самым радикальным образом сказываются на концентрации NОХ на выходе из камеры. Предварительное смешение топлива с паром «улучшает» соотношение объемных расходов газообразного топлива и окислителя, облегчает организацию перемешивания компонентов и организацию микрофакельного сжигания, что согласно имеющимся данным ведет к снижению выбросов NОХ.
Для высокотемпературных венцов лопаточного аппарата современных газовых турбин характерный уровень тепловых потоков составляет 1,5–2 МВт/м. Это достаточно большие значения. Интенсивность теплообмена определяется большим числом факторов, из которых основными являются число Рейнольдса, градиент давления и степень внешней турбулентности потока. Ситуация усложняется неравномерным распределением плотности теплового потока по обводу профиля лопатки. Изменением размера пор и проницаемости пористой стенки можно сгладить неоднородность температуры стенки при любом известном распределении теплового потока вдоль лопатки.
Основная проблема, безусловно, состоит в создании лопаток с проницаемой стенкой. Имеется несколько путей их создания. Первый – методом испарения составляющих материалов: матричного сплава и керамики электронным лучом и конденсации (осаждения) в вакууме пористой оболочки на каркас лопатки. Основа этого метода разработана в ИЭС им. Е.О. Патона. Второй вариант состоит в использовании многослойных оболочек из перфорированных пластин. Такие работы развивались в МГТУ. Третий – в применении сплошных оболочек со значительным числом отверстий микроперфорации. И, наконец, четвертый – создание оболочек из сварно-катаных сеточных материалов (МГТУ). Проблема создания проницаемых лопаток включает в себя как чисто технологические аспекты, так и вопросы конструирования при обеспечении требуемых прочностных характеристик лопаток с проницаемой (ослабленной в механическом отношении) оболочкой. Дополнительные осложнения вносит возможность ухудшения газодинамических характеристик лопатки из-за шероховатости поверхности и наличия вдува. Поэтому проведение соответствующих экспериментальных и расчетных исследований для снижения газодинамических потерь и оптимизации параметров вдува и характеристик пористой оболочки является неразрывной составной частью комплекса работ по созданию пористой лопатки.
Смежной является проблема предотвращения заноса проницаемой оболочки лопатки солями, содержащимися в охлаждающем лопатку паре. Как показали исследования, современные методы водоподготовки, водного режима барабанных котлов, сепарации и промывки пара могут обеспечить должное качество пара. Вместе с тем сохраняется определенная опасность выпадения в процессе прохождения паром через обогреваемую газом пористую оболочку лопаток железооксидных соединений, имеющих высокий коэффициент распределения солей между паровой и жидкой фазами и отрицательный коэффициент растворимости. Питание парогенератора ПГУ водой, удовлетворяющей нормам ПТЭ для котлов сверхкритического давления, и промывка пара этой же водой обеспечат такой уровень образования отложений, который гарантирует длительный рабочий ресурс лопаточного аппарата.
Повышенная удельная электрическая мощность на 1 кг/с расхода воздуха через компрессор в ПГУ с вводом пара делает возможным достижение единичной мощности 250–300 МВт на базе модифицированных наиболее крупных из существующих авиационных двигателей. К таким, в частности, можно отнести двигатель РД36–51 Рыбинского моторостроительного завода, серийно выпускавшийся для самолетов ТУ-144 и имеющий расход воздуха на входе в компрессор 273 кг/с.
Модификация связана с существенным увеличением степени сжатия, введением в тепловую схему промежуточного охладителя, переходом к схеме двигателя со свободной силовой турбиной и двухвальным компрессором (при суммарном πк= 46,8 степень сжатия в к.н.д. составляет 2,6. Это позволяет осуществить работу к.н.д. с пологим протеканием характеристики, в сочетании с промежуточным охлаждением воздуха уменьшить диапазон изменения приведенной частоты вращения к.в.д. на дроссельных режимах и обеспечить запас устойчивости компрессора и его работу с незначительным изменением к.п.д.
Основные параметры установки(условно отнесены к 100 кг/с воздухана входе в КНД)
Мощность, МВт ____________________________________ 118,8
К.п.д. нетто, % ____________________________________ 55,8
Расход электроэнергии
на собственные нужды, % ________________________ 2,2
Расход пара, кг/с: на впрыск в камеру сгорания __________ 17,8
на охлаждение турбины
высокого давления ______________________________ 3,3
на охлаждение турбины низкого давления
и силовой турбины ________________________________ 3,3
Температура уходящих газов, °С _______________________ 149
Параметры пара в котле-утилизаторе, МПа/°С:
высокого давления ______________________________ 4,7/470
низкого давления ___________________________________ 1,96/400
охлаждающего, °С ________________________________ 350
| Агрегат | Твх °С | РвхМПа | Твх °С | РвыхМПа | Степеньсжатия (расширения) | Мощность, МВт |
| КНД | 15 | 0,101 | 117 | - | 2,6 | 10,4 |
| КВД | 50 | - | 515 | - | 18,0 | 48,9 |
| ТВД | 1600 | 4,29 | 1308 | - | 2,25 | 48,9 |
| тнд | 1308 | - | 1234 | - | 1,20 | 10,4 |
| Силоваятурбина | 1234 | - | 599 | 0,101 | 16,1 | 121,5 |
Энерготехнологические парогазовые установки
Высокие температура и давление продуктов сгорания топлива в высоконапорном парогенераторе позволяют использовать их в качестве теплоносителя в технологических процессах для получения химических продуктов. В такой энерготехнологической установке осуществляется совместное производство электроэнергии, тепла и химических продуктов. Как и в любой энерготехнологической или комбинированной энергетической установке, это приводит к снижению себестоимости продукции, так как какие-то из вырабатываемых продуктов можно рассматривать как побочные, не требующие существенных дополнительных затрат производства.
Особенностью энерготехнологических установок на базе ПГУ с ВПГ являются малые габариты реакторов и других технологических аппаратов для производства химических продуктов, что обусловлено ведением технологического процесса при высоком давлении. В качестве иллюстрации можно рассмотреть два типа энерготехнологических ПГУ.
ПГУ для производства азотной кислоты. До промышленного производства азотной кислоты путем контактного окисления аммиака применялся термический способ фиксации атмосферного азота путем его окисления в высокотемпературной среде с помощью вольтовой дуги. Этот способ не получил широкого применения вследствие большого удельного энергопотребления до 10 000–14 000 кВт-ч на 1 т продукта.
В ЦКТИ и ГИАПе был разработан проект энерготехнологической ПГУ, в которой совмещено производство электроэнергии и окислов азота.
Газы, содержащие окислы азота, получаются в этой схеме без существенной затраты топлива, так как тепло от сгорания топлива почти полностью используется на выработку электроэнергии и на теплоснабжение. Оборудование для производства азотной кислоты располагается в газовом тракте между парогенератором и газовой турбиной. Азотная кислота получается из окислов азота в продуктах сгорания топлива под давлением от нескольких, до десятков атмосфер. Высокое давление несколько компенсирует низкую концентрацию окислов азота в продуктах сгорания и позволяет выполнять технологические аппараты компактными.
Реакции образования окислов азота в пламени обратимы, и скорость их растет с ростом температуры факела, причем при естественном охлаждении продуктов горения равновесная концентрация окислов азота как бы автоматически следует за температурой. Если скорость охлаждения продуктов сгорания от 2500 до 1500° С искусственно форсировать, то концентрация выхода окислов азота приближается к равновесной при температуре факела. При температуре факела около 2500° С и скорости охлаждения 250000 град/с содержание окислов азота в газах составляет около 2%».