ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА

СТЭС с комбинированным циклом Брайтона-Ренкина

Основные характеристики данной системы представлены на вис. 15. В ней предусмотрена совокупность эллиптических следящих зеркал, которые фокусируют падающие солнечные пучц на ЦП, находящийся на вершине башни, расположенной к югу от системы зеркал. Вокруг башни располагаются: система комі бинированной выработки электроэнергии, выключатели, цент­ральный пульт управления, склады и ремонтные мастерские, ай министративный корпус, место для паркования и подъездные пути. Охлаждающая градирня установлена вне периметра терряН тории, на которой размешены зеркала.

Предложенная система настолько гибка, что в состоянии подвергаться модернизации и тем самым - усовершенствовании Система, в которой предполагается реализовать технологии ближайшего будущего, будет базироваться непосредственно на комбинированном цикле Брайтона-Ренкина. Применяя степень сжатия, равную 12, окружающий воздух может быть сжат и ПОІ дан в ИП с температурой 378 С, где нагревается до 816 С. Нагретый воздух подается в камеру сгорания, где путем сжи - г^нуу, органического топлива его температура повышается до 10'ЭЗиС. После этого газ с температурой 1093°С направляет ся на вход газовой турбины с температурой выхлопа из нее 537°С. Выхлопные газы поступают в котел-утилизатор, даю­щий пар с параметрами 510°С, 10,1 МПа. Отработавший пар направляется в конденсатор, в котором поддерживается темпе­ратура 43 С и вакуум 8,5 кПа за счет охлаждения в градирне.

Этот комбинированный цикл обеспечивает достаточно высо­кую эффективность преобразования тепловой энергии в электри­ческую с КПД 43,5%. Выходная электрическая мощность, рав­ная 100 МВт, состоит из 68,4 МВт от ГТУ и 31,6 МВт от паротурбинной установки с учетом расхода на собственные нужды. При отсутствии солнечного излучения во избежание теп­ловых потерь ЦП байпасируется, что уменьшает потребность в органическом топливе.

Энергия, получаемая в паровом хвостовом цикле, ограниче­на перепадом температур в экономайзере котла-утилизатора, что связано с довольно высокой температурой выхлопа газов и соответственно, с большими потерями с уходящими через дымовую трубу газами. Если же использовать двухстушнчатый Даровой цикл, то КПД может быть поднят с 43,5 до 45,3%,

Для более крупных установок, в которых паровая турбина имеет электрическую мощность от 100 МВт и более, можно использовать турбину с промежуточным перегревом пара, что Позволит иметь КПД до 45,8%.

В солнечном приемнике ближайшей перспективы предложе­но установить панели из тепловых труб, наполненных натрием, которые передают тепло, полученное с солнечными лучами, изо-

9-1 ©5

термически воздушному потоку, движущемуся вдоль панелей. Ожидаемый теплосъем в приемнике 1200 кВт/м^, что подтаерж дено в экспериментальных условиях.

Применение тепловых труб дает возможность осуществить конструкцию ЦП с низкой расчетной скоростью воздуха, что сводит к минимуму потери давления на участке компрессор-ка­мера сгорания в цикле Брайтона ^соответственно, повышает КПД цикла.

Известно, однако, что [146] в реактивной авиации уже раз­работаны и применяются камера сгорания и газовая турбина на температуру газов 1316 С. Если разработать и применить воздухоохлаждаемый керамический солнечный приемник для работы при 1093°С, то доля энергии, вырабатываемой сол - печной установкой, может быть увеличена с 56,3 до 7-1,9% от общей выработки в полдень. Доля солнечной энергии Ъ суммар­ной характеризуется отношением повышения температуры воз­духа в ЦП к общему повышению его температуры по всему тракту до входа в газовую турбину. В годовом исчислении та­кая модифицированная станция может обеспечить 41,8%, а станция ближайшего будущего 31,2% от общей выработки; КПД соответственно, составит 47,7% по сравнению с 43,5%.

Поверхность оптической системы составляет 1,5 • 1Сы м что эквивалентно 238,4 МВт тепловой' мощности, обеспечи­вая тепловую мощность в приемнике 156,4 МВт; КПД пре­образования солнечной энергии составляет 65,6%.

Такая гибридная система комбинированного цикла не тре­бует промежуточного аккумулирования энергии, поскольку ка­мера сгорания газовой турбины и сама турбина обладают хо­рошей маневренностью, что компенсирует флуктуации в пос­туплении солнечной энергии и позволяет получать стабильную выработку и мощность [144].

Результаты анализа эффективности организации долговре­менного аккумулирования энергии, проведенного по предель­ным затратам, показали, что такое аккумулирование экономи­чески неоправдано при темпе роста цен на топливо ниже 12% даже если КПД аккумулятора будет 100%, При' КПД аккуму­лирования 60% оно экономически нецелесообразно при темпе роста цен на топливо ниже 14%. Авторами [144] делается вывод о нецелесообразности аккумулирования энергии на таких гибридных станциях комбинированного цикла ни с техничес­кой, ни с экономической точки зрения. Тем не менее были изучены технические аспекты аккумулирования энергии для вы­сокотемпературных вариантов проектов, поддержанных Минис - 66

терством енергетики США. Такие проекты могут быть под­ключены к проектам гибридных станций в будущем, если для этого появляется экономически оправданные условия. Включе­ние системы аккумулирования расширит временной диапазон использования солнечной энергии, распространив его и на ве­черние часы, что повысит степень замещения органического топлива. '

Отмечаются следующие основные преимущества концепции гибридной системы комбинированного цикла:

- энергетическая эффективность цикла даже для уже прак­тически полученных 1093 С на входе в газовую турбину;

- возможность использования разнообразиях видов топлива, включая жидкие и газообразные производные угля;

- достаточно удобное время, когда необходимо дополнитель­ное количество органического топлива, чтобы компенсировать нехватку солнечной энергии;

- возможность значительного усовершенствований такой станции за счет высокотемпературного приемника и газовой турбины в отличие от парового цикла Ренкина;

- хорошая приспособляемость таких станций для несения средних нагрузок электроэнергетических систем, причем при­ход солнечной энергии приходится на дневные часы, что поз­воляет вытеснить органическое топливо;

- отсутствие проблем принципиального характера при до­водке солнечной части системы, что не окажет влияния на приемлемость такой станции в целом для электроэнергетичес­ких компаний;

- готовность электроэнергетических компаний принять эту концепцию и сделать соответствующие заказы.

Наиболее крупными техническими вопросами при создании Таких гибридных систем являются:

- недостаточно разработанная технология как высокотем­пературного керамического солнечного приемника, так и прием­ника с тепловыми трубами.

- обеспечение работы камеры сгорания в диапазоне тем­ператур 6т 378 до 816 С и снижение выбросов оксидов азо­та при повышении температуры воздуха, что, в частности, мо­жет быть решено при применении каталитического дожигателя.

В ФРГ ряд фирм при поддержке министерства исследова­ний и технологии с 1978 г. разрабатывает проект газоохлаж - Пае мой СЭС (проект GAST ) мощностью 20 МВт с 1950 тел и ос та та ми единичной площадью 52 и двумя приемника­ми солнечного излучения. В дальнейшем предполагается иссле-

дование возможности использования керамического теплообмен­ника и гелия в качестве теплоносителя, что позволит поднять температуру газа до 1000°С и тем самым повысить КПД. Нагретый воздук направляется к двум газовым турбинам мощ­ностью по 7 МВт. У подножия башни высотой 200 м установ­лена паровая турбина, парогенератор которой обогревается от­ходящим от газовых турбин воздухом при температуре 500°С. При отсутствии солнечного излучения воздух нагревается за счет сжигания жидкого или газообразного топлива. Термичес­кий КПД станции составить 38, а общий 18% [147, 149, 153

Следует упомянуть также и о разработке гибридных ТЭС электрической мощностью 100 МВт с циклом Брайтона, с ана­логичными параметрами цикла Брайтона, отличающихся от вы­шеописанной отсутствием паросилового цикла. В этой схеме 53,в% энергии обеспечивается солнечной ступенью. КПД пре—1 образования солнечной энергии в электрическую составляет 43,8%. При среднегодовом коэффициенте нагрузки 48% и коэф фициенте готовности 90% доля солнечной энергии составляет 28,2% в среднем за год. Капитальные затраты (в долларах 1979 г.) составят 1256 цолл./кВт. Стоимость подсистемы ЦП излучения достигает 25,5%, а поля гелиостатов 31% от полной стоимости электростанции. Динамические характерис­тики энергосхемы позволяют обойтись без теплового аккумуля­тора [108]. Разработан также предварительный проект СЭС башенного типа с циклом Брайтона мрщностью 1,5 МВт. При­нята разомкнутая схема с воздушным теплоносителем; парал­лельно с ЦП установлен вспомогательный воздухонагреватель, обеспечивающий стабильную работу станции. На стации мате­матического моделирования было определено количество (28) и оптимальное расположение гелиостатов в северной части по­ля СЭС, а также высота башни (38 м) и апертура ЦП. ЦП - полостного типа, наклоненный на 20° по отношению к вертика­ли. В качестве расчетных актинометрических параметров было принято значение прямой радиации 950 Вт/м^ в полдень при равноденствии. Расчетный срок эксплуатации СЭС 5 лет; по оценкам, проектные и строительные работы займут примерно і 4 года [102, 125].