¿Puede la generación de energía de ciclo combinado con turbinas de gas reducir la contaminación ambiental?
1 Situación y demanda de generación de energía de ciclo combinado con turbinas de gas
Desde la década de 1980, con el establecimiento de nuevos conceptos de turbinas de gas y sus sistemas de energía total de ciclo combinado, el desarrollo de materiales La ciencia y la tecnología de fabricación han progresado, especialmente los cambios en la estructura energética y los requisitos de protección ambiental, se han vuelto más estrictos. El estado de las turbinas de gas y sus unidades de ciclo combinado en el sistema eléctrico mundial ha sufrido cambios significativos. Fuentes de energía de emergencia, de respaldo y cargas máximas, pero también viene con carga base y carga intermedia. Desde el siglo XXI, las turbinas de gas del mundo han entrado en un nuevo período de desarrollo, y la introducción, desarrollo y aplicación de las turbinas de gas de mi país han entrado en una nueva etapa de desarrollo. El avance tecnológico de las turbinas de gas se refleja principalmente en: aumento de capacidad unitaria, mejora de la eficiencia térmica y reducción de emisiones contaminantes. En la actualidad, más de 1/3 de la nueva capacidad instalada en el mundo cada año utiliza unidades de ciclo combinado de gas y vapor, mientras que Estados Unidos representa cerca de la mitad y Japón representa el 43% de la energía térmica. Según estadísticas incompletas, la capacidad total de las unidades de generación de energía de ciclo combinado de gas y vapor alimentadas con petróleo y gas natural existentes en el mundo ha superado los 400 GW. En la actualidad, la potencia unitaria de la turbina de gas ha superado los 300 MW, y la eficiencia térmica del ciclo simple ha superado los 39; la potencia del ciclo combinado ha superado los 780 MW, y la eficiencia térmica del ciclo combinado ha superado el 58,5. La tecnología de combustión seca de bajo NOx ha hecho. Es posible utilizar gas natural y las emisiones de NOx al destilar petróleo son inferiores a 25 mg/kg y 42 mgkg respectivamente, lo que mejora el estado y el papel de las turbinas de gas en la energía y la electricidad.
A partir del nivel actual de tecnología de generación de energía térmica en el mundo, los métodos para mejorar la eficiencia de las centrales térmicas y reducir las emisiones contaminantes incluyen la tecnología de generación de energía supercrítica (USC) con dispositivos de desulfuración y eliminación de polvo, y sistemas de circulación. El lecho fluidizado (además del CFB) y el ciclo combinado de lecho fluidizado presurizado (PFBC), el ciclo combinado de gas y vapor, como el gas natural, el fueloil y la gasificación integrada del carbón, son una medida importante. Según investigaciones y previsiones pertinentes, la demanda total de turbinas de gas de mi país alcanzará unos 34.000 MW en los próximos 10 años. China ha comenzado a utilizar la transmisión de gas Oeste-Este, el petróleo y el gas del Mar de China Oriental y el Mar de China Meridional, importar GNL (gas natural licuado) y desarrollar la gasificación del carbón y otras fuentes de energía limpia. Se ha completado o está a punto de completarse y ponerse en funcionamiento un lote de centrales de ciclo combinado gas-vapor de 300 MW. Se puede decir que a medida que aumente la tasa de localización y disminuya el costo, las unidades generadoras de ciclo combinado de gas y vapor a gran escala que utilizan gas natural y gas de carbón seguramente se convertirán en una parte importante de la industria energética de China.
2 El concepto de sistema energético total del ciclo combinado gas-vapor
El ciclo combinado gas-vapor combina dos ciclos de potencia independientes utilizando diferentes fluidos de trabajo mediante el intercambio de energía, teniendo en cuenta. las ventajas del calentamiento a alta temperatura del ciclo de Bragton de la turbina de gas y la pequeña pérdida de calor a baja temperatura del ciclo de Rankine de la turbina de vapor, formando un nuevo concepto de diseño de sistema de energía total, que reúne la tecnología avanzada de las turbinas de gas. , calderas de calor residual y turbinas de vapor Las ventajas de generar electricidad hacen que el ciclo combinado sea más eficiente. Por ejemplo, la eficiencia actual de generación de energía de calderas de tres presiones, parámetros subcríticos y ciclo combinado de gas-vapor recalentado es superior a 60.
La temperatura de la fuente de calor de alta temperatura (temperatura inicial del motor de gas) en el ciclo combinado de gas y vapor convencional es tan alta como 1 100 ~ 1 300 ℃, que es mucho más alta que la temperatura del vapor principal. de 540 ~ 566 ℃ utilizado en el ciclo de vapor general. La temperatura de la fuente fría de baja temperatura (temperatura del condensador) en el ciclo combinado de gas y vapor es de 29 ~ 33 °C, que es mucho más baja que la temperatura de escape del gas simple general. ciclo 450~640°C Es decir, el ciclo combinado gas-vapor cambia de muy alta La fuente de calor de alta temperatura absorbe calor y libera calor a la fuente de frío más fría posible. Por tanto, la eficiencia térmica del ciclo combinado es muy superior a la de cualquiera de los ciclos individuales que lo componen. En el ciclo combinado, mejorar la eficiencia de la turbina de gas etagt tiene un efecto más obvio en la mejora de la eficiencia del ciclo combinado etacc que aumentar la eficiencia de la caldera de calor residual etaHRSG y la eficiencia de la turbina de vapor etaSt en la misma medida. Por lo tanto, al diseñar un ciclo combinado, primero debemos seleccionar una turbina de gas que pueda cumplir con los requisitos de potencia y eficiencia como punto de partida para el diseño, y luego considerar si la caldera de calor residual y el sistema y la forma de la turbina de vapor están configurados razonablemente desde la perspectiva. de eficiencia e inversión de todo el ciclo combinado.
Las investigaciones muestran que maximizar la eficiencia de la turbina de gas en el ciclo combinado no significa obtener la eficiencia óptima del ciclo combinado. Cuando la temperatura inicial del gas es constante, la temperatura de escape de la turbina de gas con relación de alta presión es menor. Aunque la eficiencia de la turbina de gas en sí es mayor que la de la turbina de gas con relación de baja presión, la tasa de utilización de energía. Los parámetros de vapor y la eficiencia del ciclo de vapor de la caldera de calor residual son menores. La temperatura de escape de las turbinas de gas con una relación de presión baja es mayor. Aunque la eficiencia de la turbina de gas en sí es menor que la de las turbinas de gas con una relación de presión alta, el ciclo de vapor puede utilizar alta temperatura y alta presión, subcrítica y recalentamiento. tecnologías para lograr una alta eficiencia del ciclo de vapor. Al evaluar la idoneidad de una turbina de gas para un ciclo combinado, es importante considerar no sólo su eficiencia, sino también la eficiencia de su ciclo de vapor correspondiente y la eficiencia del ciclo combinado general. Una turbina de gas de ciclo simple corresponde a una relación de presión y temperatura de escape óptimas en determinadas condiciones de temperatura iniciales. El ciclo combinado también tiene una relación de presión óptima y una temperatura de escape con la mayor eficiencia bajo ciertas condiciones iniciales de temperatura del gas. Esta relación de presión óptima es mucho menor que la relación de presión óptima de un ciclo simple, y está muy cerca de la relación de presión cuando la potencia específica de una turbina de gas de ciclo simple alcanza su máximo; esta temperatura de escape óptima es mayor que la presión óptima; relación de un ciclo simple. Jia
La temperatura de escape es mucho mayor. Por lo tanto, para obtener la máxima eficiencia del ciclo combinado, no sólo se debe elegir una turbina de gas de alta eficiencia, sino también seleccionar la temperatura inicial del gas más alta posible y la relación de presión y temperatura de escape óptimas del ciclo combinado. Es decir, se debe tener en cuenta tanto la eficiencia del ciclo de gas como la eficiencia del ciclo de vapor para obtener la máxima eficiencia del ciclo combinado.
3 Tendencia de desarrollo del Ciclo Combinado Gas-Vapor
La turbina de gas y su ciclo combinado son una tecnología multiprofesional, altamente intensiva y de alta tecnología. La forma tradicional de mejorar el rendimiento es. Mejorar continuamente
La temperatura inicial de la turbina, aumentar correspondientemente la relación de presión del compresor y mejorar los componentes relacionados. A principios de la década de 1950, la temperatura inicial de la turbina (T3) era de sólo 600 °C a 700 °C. Gracias a las mejoras en el rendimiento de los materiales resistentes al calor, aumentó aproximadamente 10 °C cada año en promedio. Con la ayuda de la tecnología de refrigeración por aire, el T3 aumentó en promedio cada año 20 ℃. Desde la década de 1970, hemos absorbido por completo la tecnología de aviación avanzada y las nuevas tecnologías tradicionales de turbinas de vapor, y hemos mejorado continuamente su rendimiento siguiendo los caminos tradicionales. Ahora hemos desarrollado un lote de nuevos productos con tecnología de temperatura inicial de turbinas altas "F, FA, FB, H". , representan el nivel más alto de turbinas de gas industriales comercializadas en la actualidad, T3=1 430°C, que puede ser el límite de la temperatura inicial de la turbina que la tecnología y los materiales de enfriamiento tradicionales pueden alcanzar, la relación de presión del compresor ε=10~30, Etagt de eficiencia de ciclo simple = 36 ~ 40, eficiencia de ciclo combinado etacc = 55 -60. La característica principal de la nueva generación de productos que se está desarrollando es el uso de la tecnología de refrigeración por vapor. Los materiales para las piezas de alta temperatura siguen siendo principalmente superaleaciones. La carcasa de la turbina de gas es de acero CrMO, el eje del rotor y el rodete son de acero CrMO. Se utiliza Inconel706 y cristalización direccional p>
Materiales cristalinos, pulverización de Co-Cr-Al-Y y otras tecnologías avanzadas, algunas piezas estáticas están hechas de materiales cerámicos y la temperatura inicial se aumenta a T3 = 1 500 ℃. ~1 600 ℃. Adopte un sistema de control de microcomputadora inteligente y preste más atención a la protección del medio ambiente. El concepto de las futuras turbinas de gas se basará en el uso de la última tecnología aeroespacial y nuevos materiales. El quemador funcionará al volumen teórico de aire de combustión o cerca de él, y el T3 alcanzará entre 1.600 ℃ y 1.800 ℃. Se eliminará la superaleación de cuchillas actualmente utilizada con un punto de fusión de 1200°C y una densidad de 8 g/cm3. El nuevo material de alta calidad debería tener una densidad pequeña (lt; 5 g/cm3) y una mejor alta integral. -El rendimiento de temperatura es una opción.
4. Comparativa de rendimiento de los dos ciclos
En el ámbito de la energía térmica, las unidades generadoras de ciclo combinado gas-vapor presentan mayores ventajas comparativas que las unidades generadoras de turbina de vapor convencionales alimentadas con carbón.
(1) La eficiencia del suministro de energía del ciclo combinado de turbina de gas es mucho mayor que la del ciclo de turbina de vapor convencional alimentado con carbón. La eficiencia del ciclo combinado existente ha superado el 58~60. Su eficiencia térmica es tan alta que no sólo supera con creces las centrales eléctricas de turbinas de vapor alimentadas por carbón convencionales, sino que incluso es superior al valor esperado de las unidades de turbinas de vapor alimentadas por carbón con parámetros ultrasupercríticos (45,2 ~ 47,7, antes de deducir el valor de desulfuración).
(2) El costo de construcción es menor que el de las unidades de turbina de vapor alimentadas con carbón y las unidades de energía nuclear.
Para una central eléctrica de 2.000 MW, la inversión unitaria para unidades generadoras de turbina de vapor, unidades generadoras de turbina de gas y unidades de ciclo combinado de vapor y gas es de aproximadamente 6.000 yuanes/kW, 2.122 yuanes/kW y 6.530 yuanes/kW, respectivamente.
(3) La fábrica se puede construir según el método de construcción "por fases" y los fondos se utilizan de forma más eficaz. El plazo de construcción es corto, sólo de 5 a 10 meses.
(4) El consumo de tierra y agua es relativamente pequeño.
(5) La máquina única tiene gran capacidad, arranque y parada rápidos, buena flexibilidad operativa y es adecuada para operación en dos turnos. Aumentar la proporción de turbinas de gas en la capacidad instalada total mejorará las condiciones operativas de la red eléctrica, proporcionará a la red eléctrica una energía de respaldo más flexible y aumentará la flexibilidad de la regulación de los picos.
(6) La confiabilidad de la operación es alta, la tasa de disponibilidad es de hasta 85 ~ 95 y es fácil de "arrancar en negro" rápidamente, lo que ayuda a mejorar la seguridad de la operación de la red eléctrica.
(7) Cuando se utiliza gas natural o combustible líquido, las emisiones contaminantes generales son muy pequeñas. Al quemar gas natural también se pueden reducir considerablemente las emisiones de CO2. Si se compara la unidad de energía liberada por la combustión de combustible y la cantidad de CO2 emitida por el combustible es l, entonces el CO2 emitido por la combustión de carbón y gas natural es aproximadamente 1,22 y 0,67.
5 Discusión sobre estrategias de desarrollo del ciclo combinado gas-vapor
Aunque la generación de energía con turbinas de gas en China comenzó a finales de la década de 1950, su desarrollo fue lento durante mucho tiempo debido a las políticas de combustible. En la actualidad, el nivel de diseño y fabricación de los dispositivos de generación de energía con turbinas de gas en mi país está muy por detrás del de los países avanzados del mundo, y la capacidad instalada y el nivel de gestión de operaciones están lejos de ser proporcionales al desarrollo de la red eléctrica de mi país. Para promover el desarrollo rápido y saludable de la industria de generación de energía con turbinas de gas de mi país, aquí se presentan algunas sugerencias inmaduras para inspirar a otros.
(1) Posicionamiento científico, planificación general y mejora de políticas. Junto con el plan de desarrollo nacional "Undécimo Plan Quinquenal", debemos posicionar científicamente el desarrollo de turbinas de gas y sus equipos de generación de energía de ciclo combinado, formular planes de desarrollo estratégicos a mediano y largo plazo y acuerdos a corto plazo para las turbinas de gas de China. y sus equipos de generación de energía de ciclo combinado, y formular y mejorar el desarrollo de la industria de turbinas de gas y políticas y regulaciones de apoyo sobre los precios de los combustibles, la energía eléctrica y la energía térmica, y aumentar la inversión en capital y tecnología. De acuerdo con las leyes de la economía de mercado, centrándose en la introducción de una serie de conjuntos completos y avanzados de proyectos de demostración de ciclo combinado de vapor y gas de 300 MW, teniendo en cuenta la introducción de tecnologías avanzadas y prácticas grandes, medianas y pequeñas. , a través de la integración y digestión de la industria, la academia y la investigación, absorber y reinnovar para mejorar rápidamente el nivel técnico de las turbinas de gas de mi país y sus equipos de generación de energía de ciclo combinado.
(2) Controlar estrictamente la calidad técnica de los equipos importados. Implementar la integración de las industrias mecánica y eléctrica, primero comercializar el mercado por tecnología, mejorar la confiabilidad de las unidades importadas, el desempeño técnico y económico integral y el nivel de optimización del diseño de las centrales eléctricas, aumentar la tasa de localización de repuestos y reducir los costos de mantenimiento. Se deben hacer esfuerzos para cambiar la situación actual en la que las industrias mecánica y eléctrica nacionales están separadas, la tecnología introducida está dispersa, repetida, es poco compatible e incluso se introducen equipos y tecnología con un rendimiento atrasado.
(3) Mejorar el nivel de tecnología manufacturera del país. Sobre la base de la tecnología de fabricación existente, apuntando a los niveles extranjeros más avanzados, introduciremos un lote de modelos de máquinas avanzados y aplicables, tecnologías de diseño clave, software, procesos de fabricación clave, sistemas de control y protección y tecnologías de prueba en un paquete planificado. Sobre la base de la digestión y la absorción, nos esforzamos por innovar y mejorar continuamente la tasa de localización y las capacidades de diseño, fabricación y soporte de componentes clave. Desarrollar juegos completos de unidades de producción nacional con operación confiable, alta relación rendimiento-precio, derechos de propiedad intelectual independientes y juegos completos lo antes posible. Se recomienda establecer centros de I+D y bases de fabricación de turbinas de gas y sus unidades de ciclo combinado en las regiones central y occidental (como Chengdu y Wuhan) para promover los productos en los mercados nacionales y extranjeros lo antes posible. Puweixin de Tmall America recuerda: recuerde tomar precauciones cuando viaje en un clima neblinoso.
(4) Fortalecer la introducción, producción e investigación científica de materiales metálicos clave para altas temperaturas. En la actualidad, la temperatura inicial máxima de las turbinas de gas alcanza los 1500 ℃ ~ 1600 ℃, y los nuevos materiales más avanzados de las industrias aeronáutica y aeroespacial se utilizan directamente en el extranjero. Los fabricantes extranjeros generalmente no transfieren la tecnología de fabricación más avanzada. Los fabricantes nacionales deben combinar la cooperación militar y civil, combinar la industria, la academia y la investigación, organizar investigaciones científicas y tecnológicas conjuntas y lograr la localización de materiales clave lo antes posible para reducir costos.
(5) Fortalecer la dinámica estructural del rotor y el análisis de vibraciones, el diagnóstico de fallas y la investigación de tratamiento de unidades de ciclo combinado de gas y vapor, especialmente para las de un solo eje (es decir, el compresor, la turbina de gas, el generador de turbina de vapor). está conectado en serie en uno. Diagnóstico y tratamiento rápidos de la sobretensión del compresor y la vibración de los cojinetes de unidades de gran escala de un solo eje.
(6) Mi país tiene abundantes recursos de carbón. Para reemplazar las unidades generadoras de turbinas de vapor alimentadas por carbón convencionales, la tecnología de ciclo combinado de gas y vapor alimentada por carbón ya está madura. Cuando se utiliza una turbina de gas 9H para formar un ciclo combinado IGCC, la potencia de una sola unidad se puede aumentar a 550 MW y la eficiencia del suministro de energía se puede aumentar a 50 ~ 62. El país debe acelerar el ritmo de la generación de energía de ciclo combinado de gas y vapor de carbón integrado del IGCC y el proceso de unidades de generación de energía limpia alimentadas por carbón para satisfacer las necesidades de desarrollo sostenible de la industria energética de China.