РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПГУ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ
Высокая цена на нефть и природный газ и все возрастающие требования к защите окружающей среды заставляют искать новые более термодинамически и коммерчески выгодные способы использования топлива на ТЭС. Существует два конкурирующих направления: традиционное с прямым сжиганием топлива и использованием теплоты топлива в паросиловом цикле и другое, базирующее на двух технологиях - газификация и сжигание угля под давлением, выработка электрической энергии в комбинированном парогазовом цикле. Преимуществом традиционного направления является то, что это технологии прямого сжигания, хорошо освоенные у массового производителя энергетического оборудования и привычные для сознания технического персонала отрасли. Недостатками являются высокие издержки в системе газоочистки, повышенные требования к качеству топлива. Ухудшение качества топлива на долгосрочную перспективу при увеличении объемов его переработки и принципиально новый уровень требований к экологической стороне процесса, связанный с проблемой глобального потепления, существенно ограничивают конкурентные преимущества этого направления. Разработка ПГУ на твердом топливе ведется по четырем направлениям:
• ПГУ с внутрицикловой газификацией (111 У - IGCC);
• с топкой КСД (ПГУ-КСД);
• с пиролизером-карбонизатором (ПГУ-КСД-К);
• с высокотемпературным воздухонагревателем.
Из них первые два направления вышли на промышленный уровень, остальные находятся на стадии разработки.
ПГУ с внутрицикловой газификацией представляют собой ПГУ с котлом утилизатором дополненные для работы на твердом топливе предвключенной газификационной частью, которая служит для получения газообразного топлива из твердого путем полной газификации. Предвключенная газификационная часть представляет собой высоконапорный газификатор двойного назначения, работающий на кислороде. Такие газификаторы являются слабым звеном такой ПГУ, так как они являются сложными, показывают низкую эксплуатационную надежность, а также не могут работать в переменном режиме. Использование чистого кислорода в качестве дутья сильно повышает стоимость установки. Также сдерживает внедрение таких установок их умеренная энергетическая эффективность - КПД нетто 40-45%[3].
ПГУ с топкой КСД были разработаны в 80 годах ХХ века. Отработанность технологии позволяет органично вписать такую установку в структуру ТЭС. Применение такой технологии позволяет повысить энергетический КПД на 6-8 % по сравнению с паросиловым циклом на такие параметры. Но невысокие начальные параметры газотурбинной части, определяемые технологией кипящего слоя, не оставляют перспектив развития технологии без глубокой модернизации процесса.
Дальнейшей ступенью развития ПГУ-Т является схема с пиролизером- карбонизатором. При использовании карбонизатора КСД продуктами термохимической подготовки топлива являются горючие компримированные газы, которые, после очистки, направляются в газовую турбину. В этом случае температура на входе в газовую турбину повышается, следовательно, повышается тепловая экономичность цикла. Фирма Foster Wheeler разработала схему ПГУ с карбонизатором и топпинг- процессом, что позволило бы достичь КПД на уровне 48-50%, но ввиду значительных технических сложностей схема в первозданном виде осуществлена не была. Другой технологией, исключающей недостатки схемы Foster Wheeler, хоть и в ущерб эффективности является технология ABGC фирмы MBEL и Ольстерского университета. Значения КПД нетто пилотной установки, работающей по такому циклу, достигают значения 44-45 %[1]. Применение хорошо отработанного оборудования позволяет предлагать разработку к коммерческому применению. Такая схема ПГУ является схемой с параллельными потоками. Первый поток поступает в газовую турбину и далее генерирует пар в котле-утилизаторе, второй - генерирует пар в котле ЦКС. Таким образом, такая схема имеет достаточно развитую паротурбинную часть, что снижает КПД всей установки в целом, так как теплота второго потока не совершает работу в цикле ГТУ.
Поэтому умеренная тепловая экономичность недостаточна для перспективных угольных разработок.
Разработка схемы ПГУ с высокотемпературным воздухонагревателем является одной из перспективных угольных разработок. Идея непрямого нагрева воздуха в рекуперативном теплообменнике позволяет использовать любой вид топлива для нагрева циклового воздуха газовой турбины, а также позволяет отказаться от термохимической подготовки топлива и последующей очистки синтез-газа, снижающей КПД установки и удорожающей ее. Таким образом, в рамках такой схемы возможно осуществление регенерации тепла в цикле газотурбинной установки, а также осуществление топпинг-процесса, что существенно повышает термический КПД цикла. Однако, существует проблема с материалами для высокотемпературного теплообменника. Сейчас ведутся поиски конструкционных материалов для теплообменника. Непрямой нагрев циклового воздуха позволяет организовать регенерацию теплоты, что позволяет существенно повысить КПД таких установок.
Специалистами УралОРГРЭС и УрФУ была разработана и запатентована гибридная схема ПГУ. Нагрев циклового воздуха осуществляется в две стадии: частично в высокотемпературном воздухонагревателе до температуры, при которой обеспечивается надежная работа теплообменника на протяжении длительного периода, догрев осуществляется продуктами сгорания газообразного топлива. Такая схема сочетает в себе все достоинства схем Foster Wheeler и схемы с высокотемпературным воздухонагревателем, что позволяет приблизить значения КПД такой схемы к значению КПД ПГУ на природном газе при тех же параметрах газотурбинной части. Энергетическая эффективность гибридной технологии существенно зависит от выбора способа термохимической подготовки топлива, который может быть охарактеризован двумя показателями - качественным (полнота термохимической конверсии - ТХК) и количественным (доля топлива, подвергаемого термохимической конверсии). На рис. 1 представлены данные расчета КПД ПГУ в зависимости от типа термохимической подготовки:
Кривая а-б-в соответствует процессу пиролиза, в точке а топливо в пиролизе не подается, схема превращается в ПГУ с высокотемпературным воздухонагревателем. Кривая а-е описывает режимы ПГУ с полной газификацией в узле ТХК и холодной газоочисткой, точка е -режим ПГУ-IGCC.
Таким образом, при существующем уровне развития конструкционных материалов возможно создание твердотопливной ПГУ с высокой тепловой экономичностью при использовании простой и надежной термохимической подготовки топлива[4].