Układ gazowo-parowy

Najprostszy stosowany obieg parowo-gazowy

Układ gazowo-parowy (ang. Combined Cycle) jest połączeniem układu turbiny gazowej i turbiny parowej. Spaliny za turbiną gazową mają stosunkowo wysoką temperaturę (500-700°C). W prostym układzie turbiny gazowej są one wyrzucane do otoczenia, a ich entalpia o stosunkowo wysokiej wartości stanowi stratę wylotową. Natomiast w układzie gazowo-parowym spaliny te są wykorzystywane do wytworzenia pary w wytwornicy pary (kotle odzyskowym).

Układy gazowo-parowe posiadają szereg zalet, spośród których najważniejsze to:

bardzo wysoka sprawność, sięgająca nawet 60%;

niska awaryjność połączona z dużą dyspozycyjnością;

niskie koszty inwestycyjne[1];

krótki czas realizacji inwestycji;

duża elastyczność w zakresie warunków pracy;

możliwość pracy w oparciu o sporą gamę paliw gazowych, jak i ciekłych

Natomiast ich najpoważniejszą wadą są bardzo wysokie koszty eksploatacyjne, wynikające wprost z wysokich cen paliw zasilających układy gazowo-parowe (w szczególności zaś cen gazu ziemnego).

Budowa

Pod względem budowy układ gazowo-parowy stanowi połączenie układu otwartego turbiny gazowej z układem turbiny parowej. Z tą jednak różnicą, że w miejscu kotła elektrowni parowej pojawia się kocioł odzysknicowy (czasami wyposażony w system dopalający). W warunkach polskich bardzo istotne są wyżej wspomniane koszty paliwa. Paliwa ciekłe i gazowe pochodzą prawie w całości z importu, w przeciwieństwie do węgla. Pewne nadzieje na spopularyzowanie układów opalanych paliwem gazowym (m.in. układów gazowo-parowych) niosą technologie zgazowania węgla. Tego typu układy są już wykorzystywane w instalacjach przemysłowych (a także w instalacjach małej mocy energetyki zawodowej) w Europie Zachodniej oraz w Stanach Zjednoczonych.

Zasada działania

Gazowa część układu: Powietrze sprężane jest w sprężarce (SP), w komorze spalania (KS) następuje wzrost temperatury czynnika poprzez spalenie paliwa, spaliny trafiają do turbiny (TG), w której są rozprężane. Rozprężaniu czynnika w turbinie towarzyszy generowanie mocy mechanicznej odprowadzanej wałem do sprężarki i generatora elektrycznego.

Parowa część układu: Po rozprężeniu w turbinie spaliny przepływają przez wytwornicę pary (kocioł odzyskowy), a kosztem ich entalpii woda po stronie parowej ulega ogrzaniu i odparowaniu, a para zostaje przegrzana. Przepływ wody i pary wywołany zostaje w wyniku pracy pompy wody zasilającej (P). Para przegrzana rozprężana jest w turbinie parowej (kondensacyjnej, TP). Na wylocie z turbiny część pary jest wykroplona (para mokra). W skraplaczu (S) zostaje skroplona reszta pary.

Podnoszenie sprawności

Część strumienia pary rozprężanej w turbinie upuszczana jest z turbiny w upustach regeneracyjnych i kierowana do wymienników regeneracyjnych (W) podgrzewających wodę zasilającą. Podgrzew regeneracyjny wody zasilającej ma na celu podniesienie sprawności termicznej obiegu parowego.

W celu obniżenia strat egzergii i podniesienia sprawności egzergetycznej układu dzieli się nieraz stronę parową kotła ozdyskowego na dwie części (kocioł dwuciśnieniowy) a nawet na trzy części (kocioł trójciśnieniowy). Kocioł jest wtedy bardziej rozbudowany, ma dwa (trzy) podgrzewacze wody, parowniki i przegrzewacze pary, co jeszcze bardziej podnosi koszty inwestycyjne.

Innym zabiegiem podnoszącym sprawność układu gazowo-parowego może być zastosowanie chłodzenia międzystopniowego sprężanego powietrza bądź przegrzewu międzystopniowego rozprężanych spalin i pary wodnej. Jednak ingerencja w kontrukcję turbiny gazowej prowadzi do dalszego wzrostu kosztów inwestycyjnych, co ogranicza jej realizowanie.