Принципиальные тепловые схемы и циклы перспективных энергетических установок с газификацией угля и топливными элементами

Введение

  Проблемы энергосбережения приводят к необходимости повышения эффективности существующих тепловых электрических станций, а также разработки технологий альтернативных источников энергии.

  Одним из наиболее прогрессивных решений для увеличения эффективности является применение парогазового цикла. Электрический кпд современных мощных ПГУ на природном газе в конденсационном цикле достигает 60%.

  Благодаря достаточно большим запасам угля актуальны технологии, позволяющие использовать в парогазовом цикле твердое топливо. Перспективное направление в этой области — получение синтетического (генераторного) газа газификацией угля под давлением и сжигание этого газа в камере сгорания ГТУ.

  К высокоэффективным технологиям относятся также твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) и гибридные энергетические установки на их основе, в которых теплота уходящих из батареи ТОТЭ газов срабатывается в концевом цикле с использованием тепловых машин — ГТУ или ПГУ.

Исследование ПГУ с внутрицикловой газификацией угля

  В [1] исследовались схемы ПГУ с внутрицикловой газификацией угля (ВЦГ) при различных системах подачи топлива и способах включения в схему воздухоразделительной установки (ВРУ). Была рассмотрена газификация угля в потоке на кислородном дутье с жидким шлакоуда-лением и последующей сухой сероочисткой. Использование кислорода при газификации позволяет интенсифицировать процессы, повысить степень преобразования углерода, получить среднекалорийный газ (10-15 МДж/кг), содержащий минимум балласта (N2, С02, Н20), и облегчить его последующую очистку.

  Одним из основных элементов ПГУ с газификацией угля, определяющих ее кпд, является ГТУ. Расчеты были проведены для ГТУ нового поколения. Самые мощные на сегодняшний день ГТУ (более 300 МВт, кпд -40%) работают с температурой на входе в турбину около 1500 °С [2]. Эффективность ПГУ на природном газе, использующих ГТУ такого класса, приближается к 60%.

  В качестве прототипа ГТУ для расчета тепловой схемы была выбрана высокотемпературная газотурбинная установка M701G2 (Mitsubishi Heavy Industries) мощностью 330 МВт с температурой газов на выходе 587 °С, кпд 39,5% и степенью сжатия в компрессоре 21 [2] (рис. 7, табл. 1). Температура в камере сгорания ГТУ 1500-1600 °С, используется паровое охлаждение. Лопатки газовой турбины получены методом направленной кристаллизации, для них применяется пленочное охлаждение воздухом. При работе ГТУ на синтетическом газе температура дымовых газов на выходе меняется в диапазоне 580-600 °С, поэтому в котле-утилизаторе можно получить пар высоких параметров (13 МПа, 540 °С) без дополнительного сжигания топлива.

  Для ПГУ проведены расчеты при подаче в газификатор сухой угольной пыли и водоугольной суспензии (ВУС) и различных вариантах включения в схему кислородной станции. В качестве топлива выбран кузнецкий уголь марки Г (% масс.: С — 53,4; Н2 - 3,5; 02 - 9,1; N2 - 1,6; S -0,4; Н20 — 15; зола — 17). При газификации сухой угольной пыли образуется синтетический газ с более высокой теплотой сгорания (11-14 МДж/кг). В то же время такие системы сложнее в изготовлении и требуют повышенных материальных затрат. Конструкция газификаторов с подачей ВУС значительно проще. Суспензия может подаваться в газификатор при помощи насосов, но калорийность получающегося при этом синтетического газа ниже (8-10 МДж/кг— табл. 2).

  В итоге при расчете базовой схемы кпд установки с газификацией сухой угольной пыли превышает кпд установки с ВУС в среднем на 2%. Максимальный кпд в случае газификации сухой угольной пыли достигается при отношении кислород/топливо у = 0,55. При использовании в качестве топлива ВУС максимальный кпд ПГУ достигается при влагосодержании w 30% (табл. 2).

<!--[if gte mso 9]> <!--[if gte mso 9]> Normal 0 false false false RU X-NONE X-NONE <!--[if gte mso 9]> <!--[if gte mso 10]> <!--[endif] -->

Рис. 1.Общий вид ГТУ M701G2

  Результаты расчета тепловой схемы ПГУ с ВЦГ, представленные в табл. 3, были получены при автономном режиме работы кислородной станции, когда воздух поступает в ВРУ из атмосферы. Кроме автономного режима работы возможна интеграция кислородной станции в схему ПГУ так, чтобы воздух на разделение поступал от компрессора ГТУ. Расчеты эффективности ПГУ при различных способах включения ВРУ представлены в табл. 4.

Из табл. 3 следует,что эффективность ПГУ с интегрированной ВРУ несколько выше (примерно на 0,5%), чем ПГУ с автономной кислородной станцией. Наибольшая тепловая эффективность ПГУ — кпд более 50% — достигается при газификации сухой пыли в схеме с интегрированной ВРУ. ПГУ с газификацией ВУС также имеет достаточно высокую эффективность (кпд более 48%), обладая при этом более простой системой подачи топлива.

Гибридные установки с ТОТЭ

  Другое перспективное направление в энергетике — генерирование электроэнергии в топливных элементах (ТЭ), непосредственно преобразующих химическую энергию в электрическую. Преимуществами ТЭ являются их высокая эффективность и отсутствие вредных выбросов. ТЭ компактны, уровень шума при их работе очень низок и определяется только работой вспомогательного оборудования. Кроме того, установки с ТЭ могут иметь модульную конструкцию, причем электрический кпд мало зависит от мощности элемента, так что эффективность модулей малой мощности почти так же велика, как эффективность высокомощных. Поэтому ТЭ особенно привлекательны для использования в системах с распределенной генерацией электроэнергии.

  Для стационарной энергетики наиболее перспективны твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). Их высокая (850-1000 °С) рабочая температура позволяет использовать теплоту уходящих из батареи ТОТЭ газов в концевом цикле с применением тепловых машин -ГТУ или ПГУ. Электрический кпд ТОТЭ — один из самых больших для ТЭ и составляет около 45-60% [3].

  Во многих странах ведутся активные исследования гибридных установок, объединяющих ТОТЭ и ГТУ или ПГУ. Так, цель программы Vision 21 («Взгляд 21»), разработанной министерством энергетики США, — создать высокоэффективные технологии выработки энергии с электрическим кпд более 75% ддя работы на газе и 60% для работы на угле. При этом одной из ключевых технологий могут стать гибридные энергоустановки [4].

   В результате расчетных исследований установлено, что кпд гибридных установок на газе может составлять в случае ТОТЭ с ГТУ более 60% [4] и ТОТЭ с ПГУ -70% [5], а на угле — более 55% [6,4].

Опытно-промышленная гибридная установка с ТОТЭ и ГТУ

  Для нормальной работы ТОТЭ необходим ряд специальных условий:

■    поддержание температуры электролита в определенном диапазоне: при слишком низкой температуре недостаточна электропроводность электролита, при слишком высокой — происходит его термическая деградация и повреждение;

■    ограниченный темп изменения температуры ТОТЭ, чтобы температурные напряжения лежали в допустимых пределах;

■    достаточная подача пара на анод во избежание карбонизации анода;

■    степень использования воздуха и топлива не должна превышать предельных значений, чтобы не допустить повреждения электродов.

   Кроме того, время электрохимического отклика ТОТЭ (около 10_3 с) на несколько порядков меньше времени отклика остального оборудования гибридной установки — реформера, ГТУ, теплообменников (около 1-10 с). В связи с этим регулирование гибридных установок сложнее по сравнению с обычными ГТУ и ПГУ.

  Таким образом, гибридные установки с ТОТЭ имеют ряд особенностей по сравнению с существующими ГТУ и ПГУ [7]. Поэтому первым шагом к их внедрению должно стать создание опытно-промышленной устаовки. Ее эксплуатация покажет, какие характеристики имеет ТОТЭ во всем диапазоне режимов работы, как эти характеристики меняются при длительной эксплуатации и как влияют друг на друга ТОТЭ и ГТУ на разных режимах. Проект первой в России опытно-промышленной гибридной установки с ТОТЭ и ГТУ был разработан во Всероссийском теплотехническом институте (ОАО ВТИ).

  Сейчас существуют ТОТЭ мощностью до 12 МВт (см., например, [8]). Однако в России разработаны ТОТЭ мощностью только до нескольких кВт [9]. Поэтому для проекта гибридной установки был выбран ТОТЭ SFC-200 Siemens, ведущего производителя ТОТЭ трубчатой конструкции.

  На основании теплового расчета батареи ТОТЭ, проведенного с учетом характеристик, предоставленных Siemens, была получена зависимость расхода воздуха и его температуры на входе в батарею ТОТЭ от расхода топлива через батарею. Обеспечение требуемых параметров воздуха является главной задачей компрессора ГТУ. Полученные данные были использованы НПО «Аэросила» для предварительной конструкторской проработки и расчетов ГТУ (табл. 4).

  Тепловая схема опытно-промышленной гибридной установки представлена на рис. 3. Топливом служит природный газ, который нагнетается компрессором 3 и через ресивер 4 и систему очистки 5 подается в батарею ТОТЭ 6. В системе очистки газ освобождается от соединений серы, являющейся каталитическим ядом для анодного катализатора ТОТЭ. Для процессов очистки требуется небольшое количество водорода высокой чистоты, который получают электролизом воды и подают на очистку из баллонов 1. Внутри ТОТЭ, в реформере, протекает паровая конверсия природного газа. Полученный топливный газ, содержащий водород и оксид углерода, поступает на аноды ТОТЭ, где вступает в электрохимическую реакцию с кислородом воздуха,
подаваемого на катоды. В результате реакции образуется водяной пар и вырабатывается электроэнергия. Генерированный элементом постоянный ток преобразуется в переменный ток необходимой частоты и напряжения инвертором 8.

   Продукты сгорания приводят во вращение газовую турбину, на одном валу с которой находятся компрессор 11 ГТУ и генератор 17. Главная задача компрессора ГТУ — обеспечить батарею ТОТЭ сжатым воздухом заданных параметров. Отработавшие газы ГТУ в регенераторе 10 нагревают сжатый воздух, поступающий в ТЭ.

  При запуске, останове и обслуживании агрегатов топливной системы батареи ТОТЭ требуется продувка топливного тракта инертным газом, в качестве которого наиболее оправдано применять азот. Поэтому в состав установки входит также рампа 2 с азотными баллонами.

  Чтобы протекала реакция паровой конверсии и не образовывались отложения углерода, в реформер ТОТЭ необходимо подавать достаточное количество водяного пара. В установившемся режиме работы элемента пар подается с помощью рециркуляции части анодного газа. При пуске установки выработанного в электрохимической реакции количества пара еще недостаточно, и пар подается дополнительно из паропровода 18 от стартового котла. Камера сгорания 7 ГТУ обеспечивает разогрев ТОТЭ до рабочих температур при пуске установки.

Рис. 3. Тепловая схема опытно-промышленной гибридной установки:

1 - рампа с водородными баллонами; 2 - рампа с азотными баллонами;
3 - компрессор для перекачки природного газа; 4 - ресивер природного газа;
5 - система подготовки природного газа (очистка от серы, подогрев, добавление водорода); 6 - топливный элемент; 7 - камера сгорания ГТУ; 8 - инвертор;
9 - пусковой подогреватель воздуха; 10- регенератор ГТУ; 11 - компрессор ГТУ; 12 - турбина ГТУ; 13 - воздушный фильтр на входе в ГТУ; 14 - воздушный фильтр на входе в систему охлаждения; 15 - ресивер системы охлаждения;
16- компрессор системы охлаждения; 17 - генератор ГТУ; 18 - паропровод

  Мощность рассмотренной гибридной энергоустановки около 150 кВт, расчетный кпд -63%. Разработано инвестиционное обоснование ее проекта.

  Создание опытно-промышленной установки с использованием топливных элементов позволит изучить особенности эксплуатации гибридных установок, режимы их работы, ресурс основного и вспомогательного оборудования и создать основу для разработки и совершенствования более мощных систем такого типа.
Работы ОАО ВТИ по исследованию схем гибридных установок и созданию опытно-промышленной установки были одобрены на совместном заседании Научного совета РАН по проблемам надежности и безопасности больших систем в энергетике, Научно-технической коллегии НП «НТС ЕЭС» и НТС ОАО «Инженерный центр ЕЭС» 10 декабря 2008 года.

Результаты работ ВТИ по исследованию схем гибридных установок докладывались в 2008 г. на VI Минском международном форуме по тепло- и массообмену, в 2009 г. на LVI научно-технической конференции «Применение газотурбинных установок в энергетике и промышленности» (Пермь).

Литература

1.    Григорук Д.Г., Туркин А.В. Параметрические исследования тепловой схемы перспективной ПГУ с ВЦГ//Теплоэнергетика. -2010. -№2.-С. 30-32.

2.    Maekawa A., Magoshi R., and Iwasaki Y. Development and In-house Shop Load Test Results ofM701G2 Gas Turbine //Proceedings of the International Gas Turbine Congress 2003 Tokyo, November 2-7, 2003.
3.    Staff ell I. Cost targets for domestic fuel cell CHP//Journal of Power Sources. 2008. №181. C. 339-349.

4.    Zhang X. et al. A review of integration strategies for solid oxid fuel cells//Journal of Power Sources. 2010. № 195. C. 685-702.

5.    ГригорукД.Г., ЛялинД.А., Туркин А.В. Моделирование процессов теплообмена в энергетических установках с топливными элементами//VI Минский международный форум по тепло и массообмену. - 2008.

6.    Безносова Д. С., Григорук Д. Г., Лялин Д. А., Туркин А.В. Перспективы применения гибридных энергоустановок на основе твердооксидных топливных элементов с внутрицикловой газификацией углей//Теплоэнергетика, принята к печати.

7.    Mueller F. et al. Synergistic integration of a gas turbine and solid oxide fuel cell for improved transient capability//Journal of Power Sources 2008. № 176. C. 229-239

8.    Ayagh et al. State of direct fuel State of direct fuel cell/turbine systems development //Journal of Power Sources. 2005. № 152. C. 219-225.

9.    Иванов В.В. и др. Формирование многослойных структур твердооксидно го топливного элемента//Альтернативная энергетика и экология. - 2007. -Т. 46.-№2.-С. 75-92.