Парни турбини в когенерационни приложения

Енергийна ефективностТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 6, 2011

Парните турбини са вид топлинни двигатели, широко използвани в редици индустриални производства, което се дължи от една страна на достъпността на парата, а от друга - на лесната им експлоатация и поддръжка. Те се явяват и един от основните видове двигатели, използвани в инсталациите за комбинирано производство на топло- и електроенергия. Принципът им на работа се основава на термодинамичния цикъл на Ранкин (Rankine cycle), който е в основата на производството на енергия от конвенционалните електроцентрали, включващи котел за производство на пара с високо налягане. Самият цикъл по производството и оползотворяването на парата включва няколко етапа. Първоначално налягането на водата се повишава до определено ниво в зависимост от размера на котела и температурата, до която ще бъде загрявана парата. Следва загряване на водата до температура на кипене, в съответствие с налягането, кипене (преминаване от течност в пара), и след това, в повечето случаи, получената пара се прегрява (загряване до температура по-висока от тази на кипене). Получената прегрята пара постъпва в турбината, преминава през лопатките и се разширява, топлинната енергия се превръща в механична и се използва от генератора за производство на електроенергия. Изходящата пара може да бъде подадена към кондензатор или система за дистрибуция на пара с по-ниска температура и да бъде използвана в други промишлени или търговски приложения. Обикновено, полученият кондензат от кондензатора или от други приложения се връща обратно към котела.

В зависимост от конструктивните особености и състоянието на изходящата от турбината пара, парните турбини, използвани в когенерационни инсталации, се подразделят на два основни вида - турбини с пароотнемане и турбини с противоналягане.

Парни турбини с пароотнемане

Тези турбини, обикновено използват входящата прегрята пара, за да намалят кондензацията вътре в турбината, а налягането на парата след турбината е по-ниско от атмосферното. При тях част от парата след тракта за високо налягане се отклонява към топлообменника за загряване на топлоносител. Останалата част от парата постъпва в частта на турбината за ниско налягане, а след това в кондензатора. Когато има малка консумация на топлина, парата се насочва към кондензатора и се поддържа пълна електрическа мощност. Основно добивът на електрическа и топлинна енергия зависи от температурите на входа и на изхода на топлоносителя в мрежата.

При турбините с противоналягане

налягането на парата след турбината е по-високо от атмосферното. За загряване на топлоносителя се използва цялото количество пара, а кондензатът се връща към котела. При този тип турбини процесът на добив на топло- и електроенергия е взаимно свързан, а електрическата мощност е функция на консумацията на топлина. Обикновено, за покриването на върховите потребности на топлина се използва специален топлообменник, който консумира първична пара. Като предимства на турбините с противоналягане могат да се посочат по-ниската им себестойност в сравнение с другите турбини, по-малката консумация на вода за охлаждане, удобството при използването им в промишлени процеси със стационарен режим на консумация на топлина. Те са и сред най-широко използваните турбини в практиката.

Особености на парните турбини

За разлика от когенерационните инсталации с газови турбини и двигатели с вътрешно горене, където топлинната енергия се явява страничен продукт от производството на електроенергия, при парните турбини електроенергията се явява страничен продукт от производството на топлина (пара). Друга характерна тяхна особеност е, че преобразуването на горивото в енергия не се случва директно в турбината. Обикновено се използва котел, в който се произвежда пара с високо налягане, която в последствие се използва за задвижване на турбината и генератора. Разделянето на функциите позволява в когенерационните инсталации с парни турбини да се използват широк спектър от горива, вариращи от чист прореден газ до твърди горива и отпадъчна биомаса. Получената на изхода от турбината пара с ниско налягане може да се използва директно в производствени процеси, за отопление или да бъде трансформирана в друг вид топлинна енергия, включваща вода за отопление или охлаждане.

Предлаганите парни турбини варират в широк диапазон от мощности от агрегати с много малка мощност под 100 kW до такива с много големи мощности, от порядъка на над 250 MW, използвани при производство на електричество в големи електроцентрали.

Когенерационните системи с парни турбини са сред най-често прилаганите в индустрията. Считат се за много подходящи в приложения, където са налице големи количества дървесни отпадъци и отпадна биомаса, които могат да бъдат използвани като гориво - като в целулозно-хартиената промишленост, например.

Електрическата мощност

на когенерационните системи с парни турбини зависи от разликата между наляганията и температурите на парата на входа и на изхода от турбината, както и от нейното количество. Принципно, коефициентът на полезно действие на паротурбинните цикли, използвани само за производство на електроенергия, е много нисък и обикновено е по-нисък от този на газовите турбини и двигателите с вътрешно горене. В повечето случаи стойностите му варират в диапазона от около 25 - 35%. При по-малки мощности тази ефективност може да падне и до около 10%, например, когато произведената електроенергия се явява страничен продукт от производството на пара за други индустриални процеси. При използването им в когенерационни приложения, обаче, сумарната ефективност нараства и може да достигне до 80 - 84%.

Като цяло, парните турбини се характеризират със следните предимства - висока производителност, възможност за използване на широк спектър от горива и продължителен срок на експлоатация поради малкото движещи се части. При подходяща експлоатация и добра поддръжка, което включва и контрол на състава на водата за котела, парните турбини се явяват много надеждни съоръжения.

Като техни недостатъци обикновено се посочват: дългият период на пуск, необходимостта от по-високи начални капиталовложения за единица мощност, сложният и скъп ремонт и други.

Компоненти на инвестицията

Когенерационните инсталации с парни турбини се явяват комплекс от взаимосвързани подсистеми. Поради тази причина, необходимите първоначални инвестиции за изграждане на инсталацията включват освен разходите за самата парна турбина, така и за съпътстващите съоръжения. Според специалисти в областта, първоначалните разходи обикновено се подразделят по следния начин: 25% за котела, 20% за инсталацията за подготовка и подаване на горивото, 20% за системата за очистване на димните газове и контрол на замърсяването, 15% за турбината и 20% за строителство и инженеринг. От всички тези разходи, тези за котела се явяват най-конкурентни, а възможностите за намаляване на първоначалните разходи обикновено са свързани с намаляване на разходите за системата за подготовка и доставяне на горивото.

За когенерационните инсталации, особено при тези, в които като гориво се използва биомаса, първоначалните разходи за самата турбина са доста по-ниски на фона на общите разходи за системите, работещи с двигатели с вътрешно горене или с индустриални газови турбини. Стандартният котел на твърдо гориво обикновено е с по-висока себестойност от самата парна турбина. Също така, разходите за когенерационна централа на твърдо гориво се влияят и от редица фактори като например обработка на горивото, оборудването за контрол на вредните емисии и разходите за котела. С малки изключения, за някои горива и конфигурации, разходите за kW мощност обикновено се увеличават с намаляването на размера на инсталацията.

Често парните турбини се инсталират към вече съществуваща централа. В някои от тези приложения специфичните условия като масов поток, налягане, температура и т. н. предопределят и специфични изисквания към парната турбина, което може да рефлектира върху нейната цена.


Top